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La radioactivité est la propriété d'un noyau atomique de se transformer spontanément en noyau d'un autre élément en émettant lors de cette transformation un rayonnement (rayon X ou gamma) ou une particule (alpha ou beta). Il se peut qu'il faille plusieurs transformations avant d'arriver à un noyau stable, on parle alors de chaîne de désintégration.
Qu'est ce que la radioactivité?
La matière est faite d'atomes, la plupart du temps assemblés en molécules. Au cœur de ces atomes, se trouve un noyau, 10 000 à 100 000 fois plus petit. Le noyau est lui-même composé de particules, des nucléons, qui se répartissent en deux espèces : les protons et les neutrons.
Les nucléons sont deux mille fois plus lourds que l'électron. Tous les noyaux ne sont pas stables. C'est au sein de ceux qui sont instables que se produit la radioactivité. Le phénomène est difficile à observer : il a fallu attendre 1896 pour que soient décelés des rayonnements d'origine inconnue, émis par des sels d'uranium.
Certains noyaux atomiques instables sont la source de rayonnements, désignés par les trois premières lettres de l'alphabet grec : rayons alpha (α), bêta (β) et gamma (γ). Ces rayonnements sont des particules émises par des noyaux avec une grande énergie. Elles ont été identifiées respectivement à des noyaux d'hélium (rayons α), à des électrons ou positons (rayons β) et à des photons de grande énergie (rayons γ). Les rayonnements α et β sont déviés par des champs électriques et magnétiques, contrairement aux rayonnements γ.
D'où vient la radioactivité?
De tout temps, les êtres vivants ont été exposés à la radioactivité naturelle.
Sur une planète accueillante comme la Terre, cela ne les a pas gênés.
Les hommes ne s'en doutaient d'ailleurs pas, jusqu'au XXe siècle.
Ce n'est qu'à partir de 1896 que l'humanité a pris conscience de l'existence de rayonnements et a commencé à en comprendre les multiples origines.
La radioactivité naturelle a principalement pour origine des radioéléments produits dans les étoiles, il y a des milliards d'années. On trouve des traces de ces éléments radioactifs et de leurs descendants dans notre environnement.
La radioactivité résulte également du bombardement du globe terrestre par des particules de haute énergie en provenance de l'espace : les rayons cosmiques.
L'atmosphère et le champ magnétique terrestre servent de bouclier et en réduisent l'importance.
Au total, les effets de l'exposition à la radioactivité naturelle restent modestes, comme en témoigne le foisonnement des espèces vivantes.
La radioactivité dans l'environnement
Lors d'une promenade au bord de la mer, nous nous asseyons sur un roc de granit : celui-ci contient des traces d'uranium qui en se désintégrant émet un gaz radioactif, le radon, que nous respirons.
Dans notre alimentation, nous assimilons du potassium-40, du carbone-14 et du tritium.
Nous sommes contraints de nous exposer aux particules du rayonnement cosmique dont des centaines nous traversent à chaque seconde.
Des milliards de neutrinos nous traversent aussi à chaque instant.
Si les neutrinos sont fantomatiques car ils sont sans charge électrique et sans ou quasiment sans masse, les particules du rayonnement cosmique sont massives et ont une charge électrique, mais leur effet reste anodin.
Nous n'empêchons pas la désintégration de 8000 atomes de notre corps à chaque seconde.
Il s'agit d'une fausse apocalypse. Au rythme de 8000 atomes par seconde, il faudrait vingt ou trente millions de milliards d'années pour épuiser les quelque 1027 atomes de notre corps et ces 8000 becquerels nous exposent à une petite dose de 0,2 millisievert (mSv) par an.
Nous ne pouvons pas échapper à l'exposition à la radioactivité, mais celle-ci n'est pas inquiétante. Nous vivons avec depuis la nuit des temps.
L'exposition naturelle à la radioactivité représente 2,5 mSv sur le total de 3,5.
Cette dose peut varier de 1 à 40 mSv, selon l'environnement géologique et les matériaux d'habitation.
Le rayonnement tectonique dû aux roches (uranium, thorium et descendants) est de 0,40 mSv, mais il peut être dix fois plus important dans des régions granitiques comme la Forêt-Noire en Allemagne ou la Bretagne et le Massif Central en France, en particulier à cause d'un gaz radioactif, le radon.
La part due au rayonnement cosmique représente environ 0,40 mSv au niveau de la mer, mais double à 1500 m d'altitude.
La radioactivité dans notre assiette
Il nous impossible d'échapper à la radioactivité en respirant, en nous déplaçant, mais aussi en mangeant. Tous nos aliments sont un peu radioactifs, car ils contiennent des éléments comme du carbone-14 et du potassium-40, des isotopes radioactifs inséparables du carbone et du potassium naturels.
L'eau de source que nous buvons est aussi radioactive. Avant de jaillir du sol, elle a dissous des sels minéraux appartenant au roches rencontrées sur son chemin dont certaines contiennent des radioéléments. Les eaux les plus radioactives proviennent des régions granitiques ou volcaniques dont les roches renferment un peu d'uranium et de thorium accompagnés des éléments radioactifs de leur descendance. Cette radioactivité est très variable.
Un noyau atomique peut être instable parce qu'il est trop lourd. Il se débarrasse de son excédent de poids en émettant une particule. Pour certains éléments comme le radium-226 ou l'uranium-238, cette particule est un noyau d'hélium, soit 2 protons et 2 neutrons. Elle est animée d'une grande vitesse. Les éléments de ce type sont appelés émetteurs alpha.
Le rayonnement alpha étant constitué d'une particule lourde, il est très peu pénétrant, une simple feuille de papier peut l'arrêter.
Exemple pour le radium 226 qui se transforme en radon 222:
226Ra -> 222Rn + α.
D'autres, les émetteurs bêta, émettent des électrons, par exemple le thorium-234, ou des positrons (ou positons), qui ont la même masse que les électrons mais qui sont chargés positivement.
S'il y a émission d'un électron, on parlera de rayonnement β-, en fait un neutron du noyau se désintègre en proton, en électron et en anti-neutrino. S'il y a émission d'un positon, on parlera d'un rayonnement β+, un proton se désintégrant alors en neutron, en positron et en neutrino.
Exemple d'une réaction β- pour le tritium (1 proton / 2 neutrons) qui se transforme en hélium 3 (2 protons / 1 neutron) :
3H -> 3He + e- + ῡ
Exemple d'une réaction β+ pour le fluor 18 qui se transforme en oxygène 18 :
18F -> 18O + e+ + ν.
L'électron ou le positon sont des particules légères, le rayonnement bêta est donc beaucoup plus pénétrant. Les particules étant chargées, elles interagissent facilement avec la matière. Il faut une feuille d'aluminium de 6 mm d'épaisseur pour arrêter ce rayonnement.
Enfin, une troisième catégorie est constituée de noyaux radioactifs qui ne souffrent pas d'un excès de masse, mais d'énergie, qu'ils évacuent sous forme d'un photon, comme la lumière mais en beaucoup plus énergétique. Ce sont les émetteurs gamma.
Leur émission suit généralement une désintégration alpha ou bêta et correspond à un réarrangement des nucléons, et notamment à une réorganisation de la charge électrique à l'intérieur du nouveau noyau. On va donc avoir fréquemment un noyau radioactif qui émette simultanément deux types de rayonnement : par exemple, le plutonium-239 est un émetteur alpha-gamma, le fer-59, un émetteur bêta-gamma.
Le photon étant une particule sans masse, elle est très pénétrante et n'étant pas chargée, elle interagit peu avec la matière. Il faut un plusieurs centimètres de plomb pour l'arrêter.
On calcul la durée de vie d'un élément radioactif avec le système de la demi-vie ou période radioactive.
L'activité d'un corps radioactif à un instant donné est le nombre de désintégrations par seconde à cet instant, autrement dit l'intensité de sa radioactivité.
Elle se mesurait auparavant en curies, unité qui correspond à 37 milliards de désintégrations par seconde, quel que soit le rayonnement émis. C'est par exemple l'activité de 1 gramme de radium-226, ou de 15 grammes de plutonium-239.
Elle se mesure maintenant en becquerels, unité qui correspond au nombre de désintégrations en 1 seconde.
Les conséquences de la radioactivité sur la santé sont complexes.
Il faut voir quelle a été la dose absorbée par l'organisme. A ce moment là, on parle de gray.
Tous les rayonnements n'ayant pas la même nocivité, on multiplie chaque rayonnement absorbé par un coefficient de pondération, pour tenir compte des différences.
Cela s'appelle la dose équivalente, qui se mesure en sievert.
En fait, le becquerel mesure mal la dangereusité d'un élément car il considère identiquement les trois types de rayonnements.
Un rayonnement α ou β est relativement peu dangereux à l'extérieur du corps.
En revanche, il est extrêmement dangereux lorsque ce type d'émetteur est inhalé.
D'un autre côté, les émissions γ sont dangereuses un peu partout car elles sont difficilement arrêtables.
Les différentes sortes de radioactivité
Ce phénomène de rayonnement peut prendre des formes très différentes.Rayonnement alpha (α)
Rayonnement bêta (β)
Rayonnement gamma (γ)
Durée de vie de l'élément radioactif
Activité de l'élément radioactif
Conséquences pour la santé
Normes
La Communauté Européenne a fixé des doses de radioactivité à ne pas dépasser.
Par exemple, le lait ne doit pas dépassé 500 Bq/l pour l'iode 131.
Les écologistes disent que les limites à ne pas dépasser, en France notamment, sont trop élevées.
Dans certains Länders allemands, les normes sont beaucoup plus sévères (100 Bq/l en Sarre, 20 Bq/l en Hesse et Hambourg).