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La radioactivité

Rayonnement ionisant et radioactif

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 01 novembre 2013

La cellule est l'unité fondamentale des systèmes vivants, elle est la particule élémentaire de la vie. Chaque cellule se situe dans un tissu qui lui-même constitue un organe qui exécute une fonction. La cellule obéit à un plan de fabrication contenu dans la molécule d'acide désoxyribonucléique, ou ADN, présente dans toutes les cellules vivantes. Au niveau microscopique, les cellules sont constituées d'atomes en équilibre électromagnétique, c'est ce qui fait que la matière reste cohérente. La radioactivité est un phénomène qui se produit dans le noyau, au plus profond des atomes. Un rayonnement ionisant L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome. Cet atome qui perd ou gagne des charges n'est plus en équilibre électriquement, est alors appelé ion.  ou radioactif, peut venir arracher des électrons de la matière biologique, si l'énergie des particules radioactives est supérieure à l'énergie de liaison des électrons. Les cellules en division, sont les plus vulnérables aux fortes radiations, comme par exemple, les cellules souches hématopoïétiques contenues dans la moelle osseuse, qui donnent naissance à toutes les cellules sanguines. Pour extraire l'énergie nucléaire, les ingénieurs ont utilisé une particularité d'un radio-isotope, celle du noyau d'uranium 235, pour casser facilement son noyau. En effet son noyau est instable, il se désintègre à l'état naturel, c'est à dire que la force de cohésion n'est pas suffisante pour retenir les protons et les neutrons. Il éjecte naturellement des particules et produit du rayonnement neutronique radioactif et de l'énergie. Lorsque qu'un neutron est envoyé sur un noyau d'uranium 235, cela le rend encore plus instable, il devient fissile et se brise en deux parties.

 

Cette fission libère des particules, du rayonnement ionisant et beaucoup d'énergie. La « désintégration » (transformation de la matière en énergie), d'un noyau radioactif comme l'uranium, entraine l'émission de rayonnement à haute énergie. Ces désintégrations sont accompagnées d'émission de rayons gamma, dont les longueurs d'onde, inférieures à 5 pico mètres (10-12 mètre), sont plus courtes que celles des rayons X, ils traversent facilement la matière. Les rayons gamma sont des rayonnements de photons de très haute énergie (au-delà de 100keV) suffisante pour arracher un électron de son orbite. Les rayons gamma produisent des dégâts similaires à ceux produits par les rayons X ou les ultraviolets (brulures, cancers et mutations génétiques). Les radio-isotopes naturels sont, l'américium 241, l'antimoine 125, le carbone 14, le césium 134, 135 et 137, le chlore 36, le cobalt 60, le curium 242 et 244, l'iode 129, 131 et 133, le krypton 85 et 89, le phosphore 32, le plutonium 239 et 241, le polonium 210, le potassium 40, le radium 226 et 242, le ruthénium 106, le sélénium 75, le soufre 35, le strontium 90, le thorium 234, le tritium 3, l'uranium 235 et 238.

nota : L'ADN, support de l'information génétique et de l'hérédité, produit de temps en temps des erreurs, la plupart de ses erreurs sont néfastes mais parfois ces mutations génétiques, produisent des effets bénéfiques, qui permettent au système de continuer son évolution dans un environnement qui lui est favorable...

 radioactivité, spectre électromagnétique

Image : Le spectre électromagnétique regroupe toutes les fenêtres de lumière. Maxwell a déterminé que la lumière est une onde électromagnétique et qu'il n'y a aucune raison de limiter la longueur d'onde de celle-ci à l'intervalle correspondant au spectre de la lumière visible, tout le spectre est lumière. Les longueurs d'ondes électromagnétiques varient entre 10-16 m et plusieurs milliers de kilomètres. Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée. La plus élevée est celle des rayons gamma.

Les sources d'irradiation

    

Si l'on mesure finement la radioactivité on va en trouver partout, dans un morceau de bois, dans les minerais, dans un bloc de granite et bien sûr dans un morceau d'uranium. Donc la principale source de radioactivité est naturelle, nous ne la ressentons pas car nous n'avons pas développé de sens pour la détecter. La radioactivité naturelle provient principalement du radon, un gaz radioactif produit par la désintégration de l'uranium présent dans certaines roches comme le granite. Nous sommes exposés au radon, de façon très variable, de 1 à 100 milli sievert par an, il représente la plus grande part de l'exposition humaine, 42 % de l'exposition totale. A cela s'ajoute les matériaux de construction, plâtre, brique, béton, de 0,1 à 1000 mSv/an. Les rayons cosmiques sont également une source d'irradiation naturelle, surtout en altitude. La dose est voisine de 0,3 mSv/an mais elle augmente lorsque nous voyageons en avion. Environ 10% de l'irradiation reçue par une personne provient de son propre corps, principalement du fait de la désintégration du carbone 14 et du Potassium 40. Cependant la principale irradiation est médicale, reçue lors de radiographies. Elle représente environ 50 % de l’exposition moyenne au rayonnement naturel. Lors d'un scanner médical, le patient reçoit une dose moyenne de 0,05 mSv, pour un examen local, 25 mSv, pour un scanner du crâne et 150 mSv pour un scanner du corps entier. Il est conseillé de ne pas dépasser, trois examens d'organe par an.
Le charbon contient du potassium, de l'uranium et du thorium, concentrés d'un facteur 10, dans les cendres, une partie de cette radioactivité se retrouve dans les fumées et augmente légèrement l'exposition de l'ordre du micro-sievert par an. Au début du 20è siècle les scientifiques ne comprenaient pas la radioactivité, mais ils connaissaient déjà quatre éléments radioactifs, l'uranium, le thorium, le radium et le polonium.

 

Le radium a des propriétés naturelles étonnantes, il produit de la chaleur spontanément, il produit aussi un gaz que l'on a appelé à l'époque, l'émanation du radium, il rend l'atmosphère conductrice d'électricité et décharge à distance des condensateurs. C'est d'ailleurs le principe même du fonctionnement du compteur Geiger ou Geiger-Müller. Le compteur Geiger, mis au point en 1928, sert à mesurer un grand nombre de rayonnements ionisants dont le rayonnement alpha, bêta, gamma et rayons X. Les activités humaines, comme les retombées des essais des armes nucléaires, les retombées des accidents des centrales nucléaires, augmentent la dose annuelle reçue par la population mondiale. La Terre, malgré son bouclier magnétique, est en permanence irradiée par un flux de particules, les rayons cosmiques, de haute énergie en provenance de l'espace et du Soleil. Ce rayonnement cosmique reste très faible au niveau de la mer. Le débit de dose radioactive se mesure en Gy/h (gray par heure), anciennement, le rad/h (rad par heure). La dose équivalente se mesure en Sv/h (sievert par heure). Les sites nucléaires français sont organisés en zones correspondantes aux doses.  La zone bleue (2,5 à 7,5 µSv/h), la zone verte (7,5 à 25 µSv/h), la zone jaune ( 25 µSv/h à 2 mSv/h), la zone orange (2 à 100 mSv/h), la zone rouge (> 100 mSv/h).
L'environnement naturel émet un rayonnement variant de 0,2 µSv/h à 1 µSv/h. Le débit de dose qui produit des effets biologiques dangereux se situe à partir de 1 mSv/h, c'est-à-dire en « zone jaune ».

nota : l'isotope 14 du carbone, contenu dans l'air et dans les organismes vivants, reste à peu près constant au cours du temps. Ce n'est qu'après la mort de l'organisme, que la concentration en C14, diminue dans ses tissus. Cette propriété est utilisée pour dater le moment de la mort si elle ne dépasse pas 50 000 ans.

 la radioactivité

Image : Pictogramme lancé par l'AIEA, représentant un risque de danger de mort ou de dommages sérieux. Les effets du rayonnement ionisant, jusqu'à sa manifestation macroscopique est un processus complexe, la relation dose-effet, a une incidence directe sur les politiques de radioprotection et de santé publique. Une exposition prolongée aux radiations ionisantes peut produire des ruptures de l'ADN. Le nombre de ruptures est directement proportionnel à la dose, un effet néfaste est possible dès le premier rayonnement.

Découverte des rayons X

    

La radioactivité concerne les noyaux de la matière, elle est caractérisée par la désintégration spontanée de noyaux d'atomes émettant un ou plusieurs rayonnements de type alpha, beta-, beta+, gamma, et même d'émission de neutrons. Les rayonnements ionisants peuvent arracher des électrons aux atomes de la matière qu'ils traversent, c'est pour cette particularité qu'ils sont dangereux pour l'homme. Mais ces différents rayonnements sont plus ou moins transperçant. L'émission de rayonnements alpha peut être très facilement arrêtée par une simple feuille de papier. L'émission de rayonnements beta peut être arrêtée par une feuille d'aluminium ou une plaque de verre. L'émission de rayonnements gamma ainsi que l'émission de neutrons est largement atténuée par une épaisse couche de béton.
Cependant on ne peut pas parler de radioactivité, sans évoquer les travaux sur les rayonnements du physicien allemand Wilhelm Conrad Röntgen (1835-1923). Wilhelm Röntgen, comme de nombreux physiciens de l'époque, se passionne pour les rayons cathodiques découverts par Hittorf en 1869. Mais le nom Wilhelm Röntgen est associé à sa découverte d'un nouveau type de rayons qu'il nomme les « rayons X ». En 1895, il effectue une expérience où il place divers objets entre une plaque photographique et la source de rayonnement et il constate que la transparence est variable suivant le type d'objet. Le rayonnement traverse la matière d'autant plus facilement que celle-ci est peu dense et peu épaisse. Le 22 décembre 1895, il « photographie » la main de son épouse Anna Bertha Ludwig où les os de la main ainsi que son alliance sont visibles. La pénombre autour des os, représente la chair de la main, les rayons X traversent la chair beaucoup plus facilement que les os. C'est le principe de la radiographie.

 

Wilhelm Röntgen reçoit le prix Nobel de physique en 1901.

nota : Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques dont les photons de lumière ont une longueur d'onde comprise entre 0,01 nanomètre et 10 nanomètres (10-11 m et 10-8 m). Les fréquences correspondantes sont de 30 petahertz à 30 exahertz (3x1016 Hz à 3x1019 Hz). Ce rayonnement ionisant est utilisé dans de nombreuses applications dont la radiographie, l'imagerie médicale et la cristallographie. Wilhelm Röntgen nomma ces rayons, les rayons X. Les rayons X sont produits par des transitions électroniques alors que les rayons gamma sont produits lors de la désintégration radioactive des noyaux des atomes. De nombreuses images astronomiques sont prises dans la gamme des rayons X par le satellite Chandra. Le télescope Chandra X-ray Observatory, a été lancé par la navette spatiale Columbia le 23 Juillet 1999 et permet de mieux définir les régions chaudes et turbulentes de l'espace. Il fut baptisé « Chandra » en l'honneur de Subrahmanyan Chandrasekhar.

Image : Photographie de la main d'Anna Bertha Ludwig Roentgen prise le 22 décembre 1895 après une pause de 20 minutes. Les « rayons de Röntgen » traversent la matière d'autant plus facilement que celle-ci est peu dense et peu épaisse. Le 28 décembre 1895, Röntgen publie sa découverte dans un article intitulé « Über eine neue Art von Strahlen » (« À propos d'une nouvelle sorte de rayons ») dans le bulletin de la Société physicochimique de Wurtzbourg.

 Découverte des Rayons X par Wilhelm Röntgen 1895

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