Radioactivitat

La radioactivitat foguèt descubèrta en 1896 per Henri Becquerel (1852-1908) durant sei trabalhs sus la fosforescéncia. Lei materiaus fosforescents son caracterizats per l'emission d'una lutz dins la sorniera après exposicion a la lutz visibla. Becquerel pensava que la lusor producha dins de tubes catodics expausats ai rais X èra liada a son camp de recèrca. Son experiéncia consistiá a plaçar una placa fotografica embalada de papier negre en contacte de materiaus fosforescents. A l'excepcion dei mòstras de saus d'urani, totei lei resultats foguèron negatius. Aquelei saus avián impressionat la placa fotografica a travèrs dau papier. Pasmens, d'experiéncias novèlas mostrèron que lei saus d'urani avián pas besonh d'èstre expausats a la lutz per marcar la placa e que d'autreis elements compausats d'urani donava de resultats similars. La natura dau raionament emés per lei mineraus uranics èra donc diferenta de la fosforéncia e pròche dau raionament X descubèrt en 1895 per lo fisician alemand Wilhelm Röntgen (1845-1923).

La descubèrta d'aqueu raionament entraïnèt d'estudis novèlas per Becquerel, Pierre Curie (1859-1906), Marie Curie (1867-1934) e Ernest Rutherford (1871-1937). Aquò mostrèt que lei raionaments uranics èran pus complèxs que lo raionament X. Tres compausants principaus foguèron identificats e dichs α, β e γ. D'experiéncias suplementàrias permetèron de descubrir que lei particulas α avián una carga positiva, lei particulas β avián una carga negativa e lei particulas γ una carga neutra^[1]. Puei, se descurbiguèt que lei particulas α èran de nuclèus d'èli-4 e lei particulas β d'electrons. En parralèl de l'estudi dei raionaments, lo nombre de mineraus radioactius coneguts aumentèt pauc a pauc. Aquò foguèt completat en 1934 per la descubèrta de la radioactivitat artificiala per Irène Joliot-Curie (1897-1956) e Frédéric Joliot-Curie (1900-1958).

Lei perilhs de la radioactivitat foguèron pas descubèrts immediatament en causa dei quantitats limitats de produchs fòrtament radioactius disponibles au començament dau sègle XX. Au contrari, maugrat l'oposicion de certanei scientifics coma Marie Curie, lo radi e leis elements radioactius se veguèron dotats de qualitats terapeuticas per certanei mètges. La descubèrta de l'efiech mutagèn de la radioactivitat en 1927 per Hermann Joseph Muller (1890-1967) e un nombre grand de decès causats per la radioactivitat dins leis ans 1930 entraïnèron la disparicion d'aquela mòda.

•  
  Henri Becquerel (1852-1908)
•  
  Pierre Curie (1859-1906)
•  
  Marie Curie (1867-1934)
•  
  Ernest Rutherford (1871-1937)
•  
  Hermann Joseph Muller (1890-1967)
•  
  Irène Joliot-Curie (1897-1956)
•  
  Frédéric Joliot-Curie (1900-1958)

Se parla de « radioactivitat naturala » per designar lei fònts radioactivas non produchas per leis activitats umanas. Per exemple, es lo cas dau gas radon, naturalament produch dins certanei ròcas, e dau raionament cosmic. Au contrari, se parla de « radioactivitat artificiala » per designar lei fònts radioactivas produchas per leis activitats umanas. Aqueleis elements tènon un ròtle important dins la realizacion d'examens medicaus, dins la sintèsi d'elements radioactius pesucs sintetics ò dins lei procès de concentracion artificiala de matèria radioactiva. Pasmens, quina que siegue la fònt considerada, lo fenomèn fisic a l'origina de la radioactivitat es lo meteis.

 

La fònt principala de radioactivitat naturala es representada per lei radioisotòps ja presents dins la natura. Son engendrats per leis explosions d'estelas gigantas (supernova) ò per la degradacion d'autreis elements radioactius. Per exemple, un tròç de granit tèn una fraccion infima d'urani que va lentament se transformar en radon radioactiu. Pasmens, leis isotòps radioactius naturalament presents dins l'environament (urani, tori...) son generalament lei pus estables car, dins lo cas contrari, aurián ja disparegut. L'activitat radioactiva naturala de la crosta terrèstra es donc fòrça febla. Evoluciona localament segon lei ròcas de superficia amb de maximoms observats dins lei regions contenent de concentracions pus autas en elements pesucs. En Occitània, lo Massís Centrau, lei Pirenèus e l'Esterèu presentan una radioactivitat naturala pus importanta que lo rèsta dau país^[2].

La segonda fònt de radioactivitat naturala es aquela deis elements presents dins leis organismes vivents. Per exemple, lo còrs uman tèn una radioactivitat naturala causada per leis isotòps de carbòni-14 e de potassi-40. Lei vias d'intrada principalas d'aqueleis isotòps dins l'organisme son la respiracion e l'alimentacion. Enfin, la darriera fònt de radioactivitat naturala es aquela que provèn dei raionaments cosmics. Aqueu raionament pòu agantar dirèctament la superficia terrèstra. Pasmens, la preséncia de l'atmosfèra terrèstra entraïna puslèu son absorpcion per lei gas atmosfèrics e l'emission d'una radioactivitat segondària. Aqueu fenomèn explica la preséncia d'isotòps d'estabilitat intermediària dins l'atmosfèra terrèstra coma lo carbòni-14 ò l'idrogèn-3.

Aquela radioactivitat naturala representa aperaquí 77% de la dòsi recepuda cada annada per un èsser uman^[3].

L'activitat umana representa 23% de la dòsi annuala recepuda per un èsser uman. La màger part es compausada per la radioactivitat producha per lei tecnicas d'imatjariá medicala. Lo rèsta provèn deis activitats militaras (assais nuclears ancians...), industrialas (energia nucleara civila, sector minier especialament aqueu dau carbon...) e scientificas (accelerators de particulas...).

Se fau notar que l'imatjariá medicala per rais X es la fònt principala de rais ionizants d'origina umana. Pasmens, es pas comptada coma dòsi de radioactivitat car, se leis efiechs presentan de similituds importantas, l'origina dau raionament X es diferenta.

 

La radioactivitat α es causada per l'emission de nuclèus d'èli formats de dos protons e de dos neutrons. Lo nuclèu atomic qu'emet la particula α se transforma en un nuclèu novèu que tèn un nombre de massa demenit de 4 e un numerò atomic demenit de 2 :

${\displaystyle {}_{Z}^{A}{\hbox{X}}\;\to \;_{Z-2}^{A-4}{\hbox{Y}}\;+{}_{2}^{4}{\hbox{He}}}$ 

Una particula α a generalament una energia cinetica febla a respècte de sa massa e sa velocitat es fòrça inferiora a aquela de la lutz. Sa fòrça de penetracion, ja fòrça limitada per sa carga auta, es donc fòrça febla (de l'òrdre centimètres dins l'aire).

L'emission de proton es un fenomèn de radioactivitat rar que pòu s'observar per un nuclèu pesuc ò après una desintegracion β per desexcitar de nivèus d'energia auts. Foguèt descubèrt en 1969. En 2009, solament 47 isotòps son coneguts per presentar aquela proprietat^[4]. En 2002, se descurbiguèt tanben l'existéncia d'emission dobla de protons.

L'emission de neutron es un fenomèn radioactiu que caracteriza la reaccion d'un isotòp inestable que va perdre un neutron mai gardar son numerò atomic. Aqueu tipe d'emission es frequent per lei reaccions de fission nucleara. Es tanben present sus certanei reaccions de fusion. Es la basa dei reaccions en cadena que permèton lo foncionament dei centralas e deis armas nuclearas.

La radioactivitat de cluster es un tipe rar de fenomèn radioactiu caracterizat per l'emission d'un nuclèu pus important qu'una particula α. S'obsèrva per d'isotòps pesucs e es un tipe de radioactivitat totjorn menor qu'acompanha un fenomèn majoritari de radioactivitat α. Per exemple, es lo cas dau nuclèu de radi-221 que pòu de còps emetre un nuclèu de carbòni-14.

 

La radioactivitat β es un tipe de desintegracion radioactiva caracterizada per l'emission d'una particula β, formada per un electron ò un positron, e d'un neutrinò ò d'un antineutrinò. Se la particula emesa es un electron, se parla de desintegracion β^-. Dins lo cas contrari, se parla de desintegracion β⁺. Per exemple, dins lo cas d'una emission β d'un nuclèu d'idrogèn-3 que va se transformar en èli-3 :

${\displaystyle {}^{3}{\hbox{H}}^{+}\;\to \;^{3}{\hbox{He}}^{2+}\;+\;e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$ 

L'emission d'electron ò de positron pòu tanben èsser dobla. Se parla alora d'emission β dobla.

Lo poder de penetracion dei particulas β es relativament limitat car sa talha importanta entraïna d'interaccions importantas amb la matèria. Un fais d'aquelei particulas es donc aisament blocat per un fuelh de papier.

La desintegracion β se pòu generalizar au fenomèn de captura d'electron que va entraïnar la transformacion d'un proton en neutron e l'emission d'un neutrinò segon la relacion seguenta :

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} +{}_{-1}^{0}\mathrm {e^{-}} \rightarrow {}_{Z-1}^{A}\mathrm {Y} +{}_{0}^{0}\mathrm {\nu _{e}} }$ 

Un mòde pus rar es la captura d'electron dobla que sei consequéncias son similaras. Per exemple :

${\displaystyle {}_{36}^{78}\mathrm {Kr} +2\ {}_{-1}^{0}\mathrm {e^{-}} \rightarrow {}_{34}^{78}\mathrm {Se} +2\ {}_{0}^{0}\mathrm {\nu _{e}} }$ 

La desintegracion β liada es un tipe rar de radioactivitat que pòu se debanar per d'atòms fòrça ionizats. La desintegracion β^- va alora entraïnar la transformacion d'un neutron en proton e emetre un electron e un antineutrinò. Pasmens, tre son emission, l'electron es capturat per leis orbitalas K, L ò M de l'atòm. Ansin, a l'exterior de l'atòm, l'unica emission observada es aquela de l'antineutrinò.

Una transicion isomerica es un mòde de radioactivitat rar permetent a un isomèr nuclear de liberar d'energia sensa subir de transmutacions. Lei nucleons son reorganizats au sen dau nuclèu atomic dins una configuracion d'energia mens importanta. Aquela transicion es acompanhada per una emission de rais γ mai la natura quimica de l'atòm càmbia pas.

La conversion intèrna es tanben un mòde de radioactivitat relativament rar. Un electron va captar l'energia d'excitacion d'un nuclèu atomic e èsser expulsat. Pasmens, lo fenomèn es totalament diferent d'una desintegracion de tipe β car l'electron es expulsat segon de nivèus d'energia ben definits e sensa emission d'un antineutrinò. De mai, la natura quimica de l'atòm càmbia pas.

 

La radioactivitat γ es una emission d'energia sota la forma de rais electromagnetics durant un fenomèn de radioactivitat. Per de rasons istoricas, es considerada coma un tipe de radioactivitat especiau. L'emission γ e lo fenomèn de radioactivitat a son origina son generalament simultanèus.

Un exemple de radioactivitat γ es observat durant la desintegracion dau cobalt-60 en niquèl-60. Aqueu mecanisme comença per una desintegracion β^- :

${\displaystyle {}^{60}{\hbox{Co}}\;\to \;^{60}{\hbox{Ni*}}\;+\;e^{-}\;+\;{\overline {\nu }}_{e}}$ 

Lo nuclèu de niquèl-60 es dins un estat excitat. La segonda etapa dau mecanisme es donc l'emission γ ela meteissa sota la forma de dos fotons :

${\displaystyle {}^{60}{\hbox{Ni*}}\;\to \;^{60}{\hbox{Ni}}\;+2\;\gamma }$ 

Lei rais γ an un important poder de penetracion car son constituits de fotons d'energia auta. Per leis arrestar, s'utiliza generalament de blindatges plombats de quauquei centimètres d'espessor ò de bacins d'aiga de plusors mètres de prefondor.

La fission nucleara es un mecanisme de desintegracion radioactiva caracteristica d'isotòps pesucs susceptibles de se devesir. Durant lo procès, un nuclèu pesuc instable se fragmenta per formar a dos nuclèus pus leugiers tot en emetent de neutrons e una gròssa quantitat d'energia :

${\displaystyle {}_{92}^{235}\mathrm {U} +{}_{0}^{1}n\rightarrow {}_{36}^{93}\mathrm {Kr} +{}_{56}^{140}\mathrm {Ba} +3~{}_{0}^{1}n}$ 

Aqueu fenomèn pòu èsser entraïnat per l'emission de particulas destinadas a destabilizar lei nuclèus atomics. Per exemple, es lo cas dins lei reaccions en cadena qu'an luòc dins lei reactors nuclears. Dins aquò, la fission pòu egalament aver luòc d'un biais espontanèu, sensa apòrt d'energia exterior. Se fau nòtar que fòrça fenomèns de fission son acompanhats per d'autrei formas de radioactivitat, especialament de desexcitacions γ.

 

La fusion nucleara es un mecanisme radioactiu que vetz la fusion de dos nuclèus atomics leugiers per formar un nuclèu pus pesuc. Aqueu tipe de reaccion nucleara es famós car es la fònt de l'energia emesa per lo Soleu. Es tanben utilizat dins leis armas termonuclearas e de recèrcas son en cors per concebre de centralas electricas basadas sus lo meteis principi (projècte ITER...). La fusion es tanben acompanhada per l'emission de particulas (neutrons, protons...) e d'energia.

Quin que siegue l'instant donat, un isotòp radioactiu quin que siegue a una probabilitat de desintegracion egala a un autre isotòp radioactiu identic. De mai, aquela desintegracion despend pas dei condicions fisicas e quimicas de l'environament de l'isotòp. Ansin, lo mecanisme de desintegracion es considerat coma un eveniment aleatòri que seguís una lèi estatistica.

Ansin, per un nombre N(t) de radionucleïds d'un tipe donat presents dins una mòstra a un instant t quin que siegue, lo nombre de desintegracions dN durant un periòde dt despend donc solament dau nombre de radionucleïds, de la durada de la mesura e d'una constanta de desintegracion nucleara λ caracteristica dau radioisotòp considerat :

${\displaystyle dN=-\lambda Ndt}$ 

Se lo nombre iniciau de radionucleïds es conegut, es donc una lèi de descreissença exponenciala de la forma :

${\displaystyle N(t)=N_{0}e^{-\lambda t}}$ 

Una caracteristica majora de l'element es sa constanta de mièja-vida t_1/2 definida coma lo periòde necessari per veire lo nombre de radionucleïds devesit per dos :

${\displaystyle t_{1/2}=\displaystyle {\frac {ln2}{\lambda }}}$ 

La radioproteccion es l'ensemble dei mesuras presas per assegurar la seguretat de l'òme e de son environament còntra leis efiechs negatius de la radioactivitat.

 

Una partida importanta dei raionaments engendrats per lei fenomèns radioactius, especialament aquelei a l'origina d'emissions γ, an d'efiechs nefasts per la santat deis organismes vivents. D'efiech, aquelei rais an una energia capabla d'arrancar d'electrons ai moleculas organicas. Entraïnan alora l'ionizacion d'aquelei compausats. Per aquela rason, lei raionaments d'origina radioactiva fan partida dei raionaments ionizants.

Leis efiechs biologics dei raionaments ionizants despendon dau mitan tocat. D'un biais generau, lei degalhs son pus grèus quand regardan l'ADN ò d'organs sensibles a aqueleis ondas (organs radiosensibles). En particular, lei transformacions de l'ADN pòdon causar la mòrt de la cellula, la mesa en plaça de mutacions dins lo còdi genetic ò l'aparicion de cancèrs. Dos tipes d'efiechs son mesurats per descriure la gravitat d'una exposicion a de raionaments ionizants :

• leis efiechs deterministas son observats per de dòsis autas. Aparéisson a tèrme cort ò mejan e son la consequéncia dirècta de la mòrt dei cellulas victimas de l'irradiacion. Varian fòrça segon la dòsi e pòdon anar d'una indisposicion leugiera a la mòrt.
• leis efiechs estocastics intègran d'efiechs de tèrme lòng qu'aparéisson per de dòsis feblas. Representan lei consequéncias de la reparacion parciala de l'ADN tocats per lei raionaments ionizants. Una possibilitat pus auta de desvolopament d'un cancèr es un exemple d'efiech estocastic.

Leis efiechs estocastics son sistematics dins lo cas d'una exposicion car son pas despendents de la dòsi recebuda. En revènge, leis efiechs deterministas necessitan una certana quantitat de raionaments per èsser observats. Se fau nòtar que lei dos tipes d'efiechs pòdon se subrepausar.

 

Per mesurar la gravitat d'una irradiacion, es estada desvolopada la nocion de dòsi. N'existís plusors que permèton de representar una dimension donada dau fenomèn. La premiera es la dòsi absorbida^[5] que representa l'energia depausada per unitat de massa per un raionament ionizant. Es liada a l'activitat de la fònt. Per aplicacion d'un factor de correccion destinat a prendre en còmpte la dangerositat especifica de cada raionament, permet de calcular la dòsi equivalenta que modeliza l'efiech de l'irradiacion sus lei teissuts biologics. Enfin, per aplicacion d'un segond factor de correccion, destinat a tenir còmpte de la resisténcia dei diferents teissuts, aquò permet de calcular la dòsi eficaça.

La dòsi absorbida es utilizada per preveire leis efiechs deterministas. Son unitat es lo gray, de simbòl Gy. D'efiechs biologics limitats semblan aparéisser a partir de 0,2 Gy coma una reduccion de l'eficacitat dau sistèma immunitari. Lei signes clinics clars d'una irradiacion son observats a partir de 1 Gy. A 2 Gy, lo sistèma immunitari es grèvament tocat amb una demenicion grèva dei populacions de limfocits. La DL50 se situa vèrs 5 Gy. La mòrt vèn fòrça frequenta a partir de 8 Gy e quasi sistematica a 10 Gy. D'accidents rars semblan indicar que la mòrt es quasi instantanèa per una dòsi de 20 Gy.

La dòsi eficaça es utilizada per preveire leis efiechs estocastics. Son unitat es lo sievert, de simbòl Sv. Pasmens, existís pas de lindaus similars ais efiechs efiechs deterministas per descriure lei consequéncias de l'irradiacion. Dins aquò, una dòsi eficaça auta es sovent conjugada amb una aumentacion de consequéncias nefastas coma de mutacions ò un cancèr.

 

La proteccion còntra lo risc radioactiu es assegurada, dins la màger part deis Estats, per una legislacion estricta. Seis objectius principaus son generalament de limitar l'accès ais installacions e ais instruments qu'utilizan de tecnologias basadas sus de fenomèns radioactius. Definís tanben lo quadre d'intervencion dei personaus susceptibles d'intrar en contacte amb una fònt radioactiva. Ansin, d'un biais generau, leis installacions qu'assostan de sistèmas nuclears poderós son protegidas còntra leis agressions exterioras.

Pertocant lo trabalh dei personaus expausats ai raionaments ionizants, la legislacion definís generalament de limits de dòsi maximala annuala. Per exemple, en Occitània Granda, lo drech francés limita la dòsi annuala a 20 mSv per an per lei trabalhaires (e a 1 mS/an per lei personas que trabalhan pas dins lo sector). Aquelei valors son similaras a aquelei adoptadas per leis autrei país. Per respectar aquela règla, es necessari d'assegurar una susvelhança regulara dei dòsis recebudas per una persona.

Lo respècte de plusors elements permet tanben de limitar l'exposicion. Lo premier consistís a alunchar lei fònts radioactivas car la distància permet generalament de dispersar lei raionaments ionizants e, donc, de demenir lor intensitat. Lo segond principi de la radioproteccion aplicada ais individús encoratja l'utilizacion de fònts radioactivas mens activas (quand es possible). Lo tresen conselha de redurre lo temps d'exposicion au maximom. Enfin, lo darrier preconiza de plaçar de proteccions per arrestar lei raionaments (blindatges, muralhas...).

• (fr) Obratge collectiu, La Physique et les Éléments, Université de tous les savoirs, Odile Jacob, 2002.
• (fr) Stefano Atzeni e Jürgen Meyer-ter-Vehn, The physics of inertial fusion : beam plasma interaction, hydrodynamics, hot dense matter, Oxford University Press, 2004.
• (fr) Alessandra Benuzzi-Mounaix, La fusion nucléaire : Un espoir pour une énergie propre et inépuisable, Belin - Pour la science, coll. « Bibliothèque scientifique », 2008.
• (en) Cornelius Marius Braams e Peter E. Stott, Nuclear Fusio, CRC Press, 2002.
• (fr) Bernhard Bröcker, Atlas de la physique atomique et nucléaire, La pochotèque, Le Livre de poche, 1997.
• (fr) Daniel Delacroix et al., Radionucléides & Radioprotection : Guide pratique, CEA et EDP Sciences, 2006.
• (fr) Bernard Fernandez, De l'atome au noyau : Une approche historique de la physique atomique et de la physique nucléaire, Ellipses, 2006.