Radioactivité naturelle et artificielle - Cours de Physique Chimie Première avec Maxicours

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Radioactivité naturelle et artificielle

Objectif(s)
Introduire la notion d’activité d’une source radioactive, exprimée en Becquerel. Recenser les différentes sources de radioactivité naturelles et artificielles. Voir l’importance des différentes sources auxquelles un humain peut être exposé.
1. Mesure de la radioactivité : activité d'une source radioactive
Pour quantifier la radioactivité d’une source radioactive, il est courant de mesurer son activité, c'est-à-dire le nombre de désintégrations qu’elle produit par unité de temps. Une unité d’activité est le Becquerel, noté Bq. Un Becquerel correspond à une désintégration par seconde, quelle que soit la nature de cette désintégration (alpha, bêta, gamma, …).

On peut exprimer cette activité par unité de masse : on parlera ainsi de Becquerel par kilogramme. Il est également possible de définir une activité volumique, avec des Becquerel par litre (pour les liquides) ou des Becquerel par mètre cube (pour les gaz).
2. La radioactivité naturelle
a. Historique
La radioactivité naturelle a été découverte par Henri Becquerel en 1896, en laissant accidentellement des sels d’uranium sur une plaque photographique, qui fut impressionné par la radioactivité émise.
b. Sources de radioactivité naturelle et de rayonnements ionisants
Le radon 222 :
Le sous-sol contient une faible proportion d’uranium 238 qui, en se désintégrant, donne du radon 222. Celui-ci est un gaz radioactif, qui remontera à la surface. Le radon s’infiltrera par les fissures du sol et s’accumulera dans les maisons, caves, ou autres bâtiments fermés. Son activité est de l’ordre de 100 Bq/m3 pour un local en rez-de-chaussée correctement aéré, mais peut sinon être multipliée par 10. Certaines régions françaises sont plus exposées au radon que d’autres, comme la Bretagne ou le Massif central : ces régions sont riches en granite, composé d’uranium.

Le rayonnement tellurique :
Les roches granitiques ont une activité de l’ordre de 1000 Bq/kg. Sans l’effet du radon, ces roches représentent ainsi une source de radioactivité. L’uranium 238, l’uranium 235 et thorium 232 sont parmi les radionucléides naturels principaux du sol et du sous-sol. Leur radioactivité constitue le rayonnement tellurique.

Le potassium 40 :
Le potassium 40 intervient également dans ce rayonnement. La différence notable avec les autres est que ce radioélément peut également participer à des fonctions biologiques (être assimilé par un organisme vivant), comme le potassium ordinaire.

Les rayonnements cosmiques :
Des particules énergétiques provenant de galaxies et du vent solaire constituent ce rayonnement, qui n’est pas émis par désintégration de noyaux radioactifs. L’atmosphère terrestre en absorbe la majorité : 0,05 % parvient au niveau de la mer. Cependant, leur importance double chaque fois que l’on s’élève de 1500 mètres. Les voyages en avion, même de nuit, exposent ainsi à cette forme de rayonnement ionisant.

Le carbone 14 :
Les rayonnements cosmiques induisent également la production de carbone 14 radioactif dans la haute atmosphère. Cet isotope se comporte comme le carbone 12 (stable) d’un point de vue chimique et est ainsi facilement intégré dans la biosphère. Pour un gramme de carbone atmosphérique ou de matière vivante, l’activité mesurée est de 13,6 désintégrations par minute.
c. Modes d'action des sources radioactives
Pour les rayonnements cosmiques, on parle uniquement d’irradiation : une source radioactive n’est pas absorbée par l’organisme.

Le radon 222 peut être inhalé (poumons) ou ingéré s’il est dissous dans certaines eaux minérales (activité de 10 Bq/L). Pour le carbone 14 et le potassium 40, ces éléments radioactifs sont ingérés, car présents dans les aliments consommés. On parle de contamination lorsque les radioéléments sont absorbés par l’organisme et se désintègrent en son sein.

Aussi, les sources radioactives peuvent être incorporées à l’organisme, qui devient lui-même une source radioactive. Il s’agit de rayonnement interne. Un humain présente une activité moyenne de 120 Bq/kg. Pour un homme de 70 kg, 4500 Bq concernent le potassium 40 et 3700 Bq proviennent du carbone 14.
3. La radioactivité artificielle
a. Historique
En 1934, en bombardant une feuille d’aluminium avec des noyaux d’hélium, Frédéric et Irène Joliot Curie synthétisent un isotope radioactif du phosphore :


Alors que l’isotope naturel est stable, le phosphore 30 a une faible durée de vie, de quelques minutes. Il émet en se désintégrant une particule alors inconnue à l’époque, le positon (ou positron, ou anti-électron). Ils découvrent ainsi la radioactivité artificielle.

De manière générale, la radioactivité artificielle consiste à synthétiser des noyaux radioactifs de durées de vie trop courtes pour exister dans la Nature. Souvent, ces radionucléides sont émetteurs de positons.
b. Sources de radioactivité artificielle
En médecine :
La radioactivité présente diverses applications, comme la radiographie X, l’injection d’un traceur radioactif, la radiothérapie, la tomographie par émission de positons, etc. Certains rayonnements ionisants, dont les rayons X, ne sont pas produits par radioactivité, mais par excitation d’atomes. En médecine nucléaire, les isotopes utilisés sont le Technétium 99, le Thallium 201, l’Iode 123 et 131, le Gallium 61, l’Indium 111. Ils sont produits principalement dans les réacteurs nucléaires.

Les réacteurs nucléaires :
Les centrales nucléaires induisent des réactions de fission pour produire de l’énergie électrique. Le réacteur est une zone extrêmement radioactive, mais le rayonnement est confiné dans son enceinte. La radioactivité libérée par une centrale concerne d’éventuels rejets ou des fuites, mais les deux sont habituellement très minoritaires. Des réacteurs existent aussi dans le cadre de la Recherche, ainsi que des accélérateurs de particules, comme au CERN.

Les accidents nucléaires :
Les émissions radioactives sont souvent très importantes en cas d’accidents nucléaires, comme à Tchernobyl en 1986 ou à Fukushima en 2011, notamment dans le voisinage de la centrale. Parmi les radioéléments émis, on a le Césium 137, qui peut être transporté sur de grandes distances. Il est responsable d’une activité pouvant aller jusqu'à quelques centaines de Bq/kg pour certains aliments en France.

Les armes nucléaires :
La catastrophe de Tchernobyl n’est pas la seule source de radioactivité par le Césium 137. En effet, les essais nucléaires aériens Américains et Soviétiques lors de la Guerre Froide ont disséminés dans l’environnement des radionucléides. On a aussi le Strontium 90 (activité dans un aliment de l’ordre de 0,1 Bq/kg en France) ou des isotopes du Plutonium.

Industrie nucléaire :
Hormis la production d’électricité, l’industrie nucléaire est aussi productrice de radioactivité. Cette industrie concerne l’exploitation minière d’uranium, ainsi que tous les processus de fabrication de combustible nucléaire à usage civil ou militaire, et aussi le traitement des déchets radioactifs. Les radionucléides produits sont notamment le Cobalt 60.
4. Importance des différentes sources de rayonnements ionisants
a. Notion de dose reçue
Afin de quantifier l’exposition aux rayonnements ionisants d’une personne, l’activité (en Becquerel) n’est pas adaptée, car elle ne rend pas compte de l’effet produit sur l’organisme. Il fut alors introduit la notion de dose reçue, exprimée en Gray (= 1 Joule par kilogramme de matière vivante exposée).

De plus, les différents rayonnements n’ont pas le même effet sur les tissus : il y a un aspect qualitatif. Pour prendre cela en compte, on utilise la notion de dose reçue équivalente. L’unité est le Sievert, noté Sv. Comme le Gray, il correspond à une énergie reçue par kilogramme de matière vivante.

Les rayonnements ionisants peuvent causer des dommages aux êtres vivants, en altérant l’ADN des cellules, induire des mutations, abîmer les tissus vivants, causer des cancers, etc. L’organisme peut « s’auto-réparer » si on lui en laisse le temps ou si la dose est assez faible. Mais, pour une exposition ponctuelle, une dose de 10 Sv ou plus est très souvent mortelle. Une dose de 5 Sv conduit à une mortalité de 50 %. Une dose de 1 Sv induira une chute des cheveux, des troubles digestifs, etc.
b. Comparaison des différentes expositions aux rayonnements ionisants
Ci après une liste des doses reçues par une personne en France, pendant une année :

Source de rayonnements ionisants
Exposition moyenne en par personne en un an
Proportion par rapport à l’exposition totale
Radon 1300 42 %
Rayonnement tellurique 500 16 %
Rayonnement cosmique 400 13 %
Rayonnement interne 200 6 %
Total rayonnements naturels
2400 77 %
Médical 600 19 %
Activités industrielles hors énergie nucléaire 80 3 %
Essais nucléaires aériens et accidents nucléaires 19 0,6 %
Énergie nucléaire civile 1 0,03 %
Total rayonnements
artificiels
700 23 %


Soit un total estimé de par an et par personne. Les chiffres sont très variables d’un individu à l’autre. Habituellement, le radon est la première source d’exposition à la radioactivité naturelle. Le secteur médical constitue aussi une importante source de rayonnements ionisant à laquelle un individu est exposé, mais de manière contrôlée.
L'essentiel
Il existe deux types de sources de radioactivité. Le premier type concerne la radioactivité naturelle, qui provient en majorité du gaz radon et du rayonnement tellurique. Le rayonnement cosmique constitue une autre source de rayonnements ionisants. Certains radioéléments peuvent être absorbés par l’organisme, qui devient lui-même radioactif par rayonnement interne.

L’irradiation est le fait de recevoir un rayonnement ionisant. La contamination est l’absorption d’un radioélément, qui se désintègre au sein de l’organisme.

La radioactivité artificielle est le second type de source radioactive. Elle consiste à créer des noyaux radioactifs qui n’existent pas dans la Nature, car de durée de vie trop courte. Le secteur médical, les centrales et l’industrie nucléaire produisent et/ou utilisent ces radionucléides. Les essais nucléaires aériens et les accidents nucléaires ont dispersé des radioéléments artificiels dans l’environnement.

Une source radioactive est mesurée via son activité en Becquerel, qui est le nombre de désintégrations par seconde. L’effet sur un organisme vivant de rayonnements ionisants est évalué via la notion de dose reçue (équivalente) et s’exprime en Sievert.

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