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Les effets dans la matière

Dossier - La radioactivité : le phénomène physique 1/3
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La radioactivité est le plus souvent abordée sous l’angle de ses risques. Elle l’est plus rarement sous l’angle de ses nombreuses applications, et presque jamais (hors des publications spécialisées) sous l’angle du phénomène physique lui-même. Quant à sa riche histoire, elle est parfois réduite à ses aspects anecdotiques (ah, le « hangar » des Curie !). Il a donc paru utile de rassembler un dossier en 3 parties qui traitent du phénomène physique de la radioactivité, de l’histoire de la compréhension de ce phénomène et de sa perception par la société, et enfin de ses multiples applications contemporaines.

  
DossiersLa radioactivité : le phénomène physique 1/3
 

Lors d'une transmutation, les particules émises par les noyaux radioactifs possèdent des énergies de l'ordre du MeV, très supérieures par conséquent aux énergies (chimiques) des liaisons atomiques et moléculaires des milieux traversés qui sont plutôt de l'ordre de l'électron-volt (eV), un million de fois plus faibles. Même en n'y déposant qu'une fraction de leur énergie, ces particules perturbent considérablement les milieux traversés : rupture de liaisons moléculaires, création de radicaux libres, amorçage de réactions chimiques ou physiques (comme l'apparition de bulles dans les liquides), créations de défauts dans les cristaux, et bien sûr chaleur (ce qui est exploité dans les centrales nucléaires). Les dégâts dépendent de la nature du projectile, de son énergie, et du milieu traversé (gaz, cristal, cellule vivante).

Les particules électriquement chargées comme les alpha et les bêta arrachent des électrons aux atomes (qui deviennent des ions) qu'elles rencontrent le long de leur trajet. Elles perdent ainsi progressivement leur énergie et ralentissent. C'est en fin de parcours, quand la particule a beaucoup ralenti, que l'ionisation est la plus importante : en effet une particule lente passe plus de temps dans un atome et  a plus de chances d'interagir avec lui.

Les particules alpha sont beaucoup plus lourdes que les électrons et sont peu déviées : elles ont tout de l'éléphant dans un magasin de porcelaine. Elles perdent très rapidement leur énergie et sont donc vite immobilisées (une feuille de carton arrête une particule alpha de quelques MeV). Elles agissent donc pratiquement par contact : les alphas du radium ont brûlé la peau des doigts des Curie. La situation est similaire pour d'autres particules chargées et lourdes comme les protons ou les ions de carbone (utilisés en protonthérapie) qui interagissent d'autant plus fortement qu'elles sont ralenties : l'ionisation augmente fortement juste avant l'arrêt, c'est le pic de Bragg.

Pénétration de divers rayonnements : absorption rapide des électrons, plus lente des photons gamma et pic de Bragg du carbone © CNRS-IPN Lyon

Les électrons (particules bêta), plus légers, perdent moins d'énergie en interagissant avec les électrons atomiques ou les noyaux, mais sont plus fortement déviés à chaque fois : leur parcours est donc plus long et plus sinueux, évoquant plus le chat que l'éléphant dans le magasin de porcelaine. Leur pénétration est plus profonde avec un dépôt d'énergie plus progressif que les alphas. Pour arrêter des électrons de quelques MeV, il faut donc une épaisseur de blindage plus importante : plusieurs mètres d'air, plusieurs centimètres de tissu vivant, ou plusieurs millimètres d'aluminium. Les positrons (bêta plus) interagissent comme des électrons, à ceci près qu'ils finissent par s'annihiler avec un électron atomique en donnant 2 gammas de 0.511 MeV chacun. Cette signature caractéristique est utilisée dans la tomographie par émission de positrons (ou TEP).

Les particules neutres comme les gammas ou les neutrons ne sont pas directement ionisantes, mais elles peuvent mettre en mouvement une particule chargée qui, elle, sera ionisante. Les photons gamma peuvent entrer en collision avec un électron atomique et lui communiquer une part importante de leur énergie : c'est la diffusion Compton. L'électron diffusé ionise ensuite son environnement. Le gamma interagit rarement, d'où une moins grande nocivité que les alphas et bêtas, et une pénétration profonde. Pour augmenter la probabilité d'interaction, il vaut mieux employer des matériaux denses (ayant beaucoup d'électrons dans un volume donné) comme le plomb : pour arrêter 99.9% des gammas de 1 MeV, il faut 10 cm de plomb, 60 cm de béton ou un mètre de terre.

Diffusion Compton © Ph. Bruyant Université Lyon I

Les neutrons n'interagissent qu'avec un noyau, et celui-ci occupe un très petit volume dans l'atome : les collisions sont donc rares, et un flux de neutrons est donc extrêmement pénétrant. Le neutron perd plus facilement son énergie (et est donc arrêté) quand il entre en collision avec une cible de masse comparable à la sienne. Un blindage contre les neutrons emploie donc un matériau riche en noyaux légers comme l'eau, le graphite ou la paraffine. Lors d'une collision, le neutron rebondit en général, mais il peut être capturé par un noyau. Le noyau ainsi formé a toutes chances d'être instable (en capturant un neutron, l'uranium 238 devient de l'uranium 239 dont la période n'est que de 23 mn). C'est pour cela que les matériaux irradiés dans une centrale deviennent radioactifs. Et nous avons vu que le choc d'un neutron brise parfois le noyau (fission nucléaire).

Absorption de différents rayonnements par une feuille de carton, une plaque d’aluminium ou une épaisseur de béton © CEA

Les effets physiques des rayonnements produits par la radioactivité viennent plus de la quantité d'énergie qu'ils déposent dans un volume donné de matière que du nombre de rayons qui traversent ce volume. Ce n'est donc pas le becquerel qui est l'unité de mesure la plus pertinente pour évaluer les effets physiques de ces rayonnements, mais la quantité d'énergie déposée par unité de masse de la matière, que l'on mesure donc en joules par kilogramme, unité à laquelle on a donné le nom de gray (Gy) d'après le radiobiologiste britannique Louis Gray.  Passer des becquerels aux grays n'est pas simple car cela dépend de la nature du rayonnement, de son énergie initiale, et bien sûr aussi du milieu traversé.

Le gray a remplacé l'ancienne unité, le rad (Radiation Absorbed Dose, défini à l'origine comme la quantité de rayons X capable de tuer une souris) qui vaut 0.01 Gy. En pratique, on utilise plutôt des quantités de l'ordre du milligray (mGy) : une radiographie pulmonaire délivre une dose d'environ 1 mGy, un scan abdominal 10 mGy, une scintigraphie 200 mGy. En radiothérapie, les doses sont plus importantes, pouvant atteindre une dizaine de grays dans une tumeur. Il est important de se souvenir que le gray est une énergie absorbée par unité de masse de l'absorbant : 5 grays absorbés dans une thyroïde de 10 g représentent 1/7000 de l'énergie de 5 grays absorbés par un corps de 70 kg tout entier (dose létale à 50%). Mais les effets biologiques des rayonnements ne dépendent pas seulement de l'énergie absorbée, mais de la manière dont elle est absorbée et plus encore de l'endroit où elle est absorbée.