Science et technologie s1132

La radioactivité

La radioactivité est une transformation nucléaire naturelle qui se produit lorsque certains noyaux atomiques instables se désintègrent spontanément en un ou plusieurs atomes plus stables, tout en émettant des particules et de l'énergie. 

Le terme radioactivité provient des mots latins radius, qui signifie «rayons», et activitas, qui veut dire «qui a le pouvoir d'émettre». Ce terme, proposé par la physicienne Marie Curie vers 1898, définit une propriété des atomes instables, soit celle de se transformer de façon naturelle en un atome plus stable, le tout en émettant de l'énergie sous forme de rayons. C'est le professeur de physique français Henri Becquerel qui a d'abord observé cette propriété chez des atomes d'uranium.

Lors de leur désintégration, les noyaux atomiques instables se transforment en noyaux plus stables en perdant une partie de leur masse. Cette transformation nucléaire se produit par l'émission de trois types de rayonnements:

Nous pouvons utiliser la radioactivité à diverses fins, entre autre pour répondre à une partie de nos besoins énergétiques, ou encore pour effectuer la datation de certains fossiles. Toutefois, pour ce faire, il est primordial d'être familier avec les deux concepts suivants:

Les rayonnements alpha (α)

Le rayonnement alpha se produit lorsque la désintégration d'un noyau instable s'accompagne de l'émission d'une particule de charge positive: le noyau d'un atome d'hélium.

Le rayonnement alpha est la façon la plus courante pour un noyau de se transformer en une forme plus stable. Ce type de désintégration se déroule majoritairement dans les noyaux des éléments les plus lourds, comme l'uranium (U) et le plutonium (Pu) qui ont des numéros atomiques élevés.

Cette désintégration libère une particule alpha qui est composée de deux protons et de deux neutrons, soit un noyau d'hélium. Le noyau instable voit alors son nombre de protons et de neutrons diminuer de 2, ce qui entraîne la formation d'un nouvel élément. Étant donné que les particules alpha, qui constituent le rayonnement alpha, sont déviées vers la borne négative d'un champ électrique, on a pu déterminer qu'il s'agissait de particules positives. De plus, bien que ces particules soient relativement grosses et massives, une simple feuille de papier suffit à les arrêter.

En transformant un noyau d'un type à un autre, le rayonnement alpha entraîne une série de transformations, nommées transmutation, qui permettront à des noyaux instables d'atteindre la stabilité nucléaire. De plus, une très grande quantité d'énergie cinétique est produite par la mise en mouvement de la particule alpha lors de son émission par le noyau.

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Émission d'une particule alpha
Source

La désintégration d'un noyau d'uranium 238 (U) produit du thorium (Th) et l'émission d'une particule alpha.
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Cette particule alpha contient deux protons et deux neutrons. Le noyau d'uranium voit alors son numéro atomique diminué (Z) de 2 alors que son nombre de masse (A) est diminué de 4. L'uranium se transforme donc en un isotope du thorium, soit le thorium 234. Pour atteindre la stabilité nucléaire, le thorium subira à son tour une série de transformations au terme desquelles on obtiendra du plomb 206, un élément dont le noyau est stable.

Les rayonnements bêta (β)

Le rayonnement bêta se produit lorsqu'un neutron se transforme en proton au sein d'un noyau instable, ce qui est accompagné par l'émission d'une particule de charge négative: un électron.

Ce type de désintégration se déroule lorsqu'un noyau atomique instable retrouve la stabilité en transformant l'un de ses neutrons en proton. Le proton nouvellement formé demeure dans le noyau. En raison de l'apparition d'un proton supplémentaire, le numéro atomique (Z) de l'élément augmente de 1 et le noyau prend la forme de l'élément suivant dans le tableau périodique.

Lors de cette transformation, il y a émission d'une particule bêta. Étant donné que les particules bêta, qui constituent le rayonnement bêta, sont déviées vers la borne positive d'un champ électrique, on a pu déterminer qu'il s'agissait de particules négatives. De plus, ce sont des particules plus légères que les particules alpha ce qui leur procure un pouvoir de pénétration supérieur. Il faut donc une feuille métallique de trois millimètres d'épaisseur pour parvenir à les bloquer. Étant donné sa masse infime et sa charge négative, on considère que la particule bêta correspond à un électron doté d'énergie. La désintégration bêta est donc une transmutation qui s'accompagne d'un dégagement d'énergie liée au mouvement de la particule bêta lors de son émission par le noyau.

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Émission d'une particule bêta
Source

La désintégration bêta se produit couramment dans la nature, entre autre dans la matière organique qui contient une certaine proportion de carbone 14.
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Ces atomes se désintègrent lentement en azote (N), dont le numéro atomique (Z) est supérieur de 1 à celui du carbone (C). Il est toutefois à noter que la masse atomique demeure inchangée (14), puisque la quantité de nucléons est stable.

Les rayonnements gamma (γ)

Le rayonnement gamma consiste en l'émission d'énergie par le noyau sous forme de rayonnement électromagnétique neutre.

Le rayonnement gamma accompagne généralement un des deux autres types de rayonnements (alpha ou bêta). En effet, lorsque de nouveaux noyaux sont formés, ils arrivent que ceux-ci se retrouvent dans un état de grande énergie nommé «état d'excitation élevé». Ce noyau excité est fortement instable. Afin de revenir à un état moins excité et conséquemment plus stable, il émet une partie de son énergie sous forme de rayons gamma.

Étant donné que les rayons gamma ne sont pas déviés par un champ électrique, on a pu déterminer qu'ils sont neutres. De plus, ces rayons ne sont pas constitués de particules, mais seulement d'énergie. Ce sont les rayonnements radioactifs les plus pénétrants; il faut donc utiliser un matériau à très haute densité (comme le plomb ou le béton) pour parvenir à les bloquer.

Comme un rayon gamma n'a ni masse ni charge, son émission n'entraîne aucune variation dans le nombre de protons ou de neutrons. Il n'est donc pas une transmutation comme les deux autres types de rayonnements qu'il accompagne.

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Émission de rayons gamma
Source

La désintégration du césium 137 émet des particules bêta et des rayons gamma.
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L'émission de particules bêta entraîne la transmutation du césium 137 en baryum 137. Ce noyau, se trouvant en état de grande énergie, émet un rayonnement gamma. À la suite de cette émission de rayons gamma, le noyau de baryum retrouve un état d'énergie plus stable.

Les effets de la radioactivité sur la vie

Lors de leur désintégration, les atomes instables émettent des rayonnements alpha, bêta et gamma. On les appelle parfois «rayonnements ionisants» puisqu'ils peuvent pénétrer dans la matière et y ioniser les atomes. Les particules alpha et bêta ont un pouvoir de pénétration beaucoup plus faible que les rayons gamma. Les effets néfastes attribuables à l'irradiation dépendent surtout de l'énergie contenue dans les rayonnements, de leur pouvoir de pénétration dans la matière et des doses auxquelles les organismes sont exposés. Plus un rayonnement est énergétique, plus il est susceptible de causer d'importants dommages puisqu'il présente une plus grande capacité de pénétration de la matière.

La pénétration typique des rayonnements ionisants:
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  • Les particules alpha sont arrêtées par une feuille de papier et ne traverse pas la peau.
  • Les particules bêta sont arrêtées par une feuille d'aluminium. Ils pénètrent jusqu'à environ un centimètre dans le corps.
  • Les rayons gamma sont atténués (mais jamais arrêtés) par de grandes épaisseurs de matériaux denses. Ils passent à travers les tissus vivants.
Source

Les organismes vivants sur la Terre sont constamment soumis à de faibles doses de rayonnements radioactifs en provenance de l'espace et des isotopes radioactifs naturellement présents dans le sol et dans l'atmosphère. Généralement, les radiations ont des effets qui se manifestent longtemps suite à une exposition importante. Les effets à court terme ne sont perceptibles que lorsque la dose reçue est très importante. Parmi ces effets, on peut noter la destruction de cellules, le malfonctionnement des organes, l'apparition de cancer ou de mutations génétiques.

Toutefois, les radiations émises par les atomes radioactifs peuvent aussi être utiles à diverses fins. Par exemple, il est possible d'améliorer la qualité de certains matériaux en y incluant des substances qui durcissent sous d'action des rayons radioactifs. On peut aussi augmenter la durée de conservation des aliments par leur irradiation. Contrôlées, les radiations peuvent être utilisées en médecine pour la recherche ou pour traiter des cancers. C’est aussi grâce à l’étude des isotopes qu’on peut déterminer l’âge de vieux ossements, de météorites et même de la Lune! On utilisera aussi leur énorme potentiel énergétique en transformant en électricité toute la chaleur émise lors de l’éclatement du noyau dans les centrales nucléaires. Toutefois, la gestion des déchets radioactifs pose problème. Ces déchets émettent beaucoup de radiations et sont néfastes pour l’environnement pendant des milliers, voire même des millions d’années! On doit donc trouver des moyens pour les isoler ou les transformer. L’énergie produite par l’éclatement de l’atome a aussi déjà été utilisée dans la production de bombes. Les plus puissantes à ce jour : les bombes nucléaires, aussi appelées bombes atomiques.

La demi-vie

La demi-vie correspond au temps nécessaire pour la désintégration de la moitié des noyaux d'un échantillon de matière radioactive.

La radioactivité est un processus spontané et aléatoire. On ne peut donc pas prévoir quels atomes se désintégreront, ni à quel moment ils le feront. Par contre, on sait que leur nombre diminue de façon exponentielle. Par conséquent, on peut estimer la durée de vie de la radioactivité d'isotopes instables à partir du temps qu'ils mettent à se désintégrer. Ce temps se nomme «demi-vie» et il varie de quelques fractions de secondes à plusieurs milliards d'années selon l'isotope. Plus le temps de demi-vie d'un isotope est élevé, plus il faut attendre longtemps avant qu'il ne soit entièrement éliminé de l'environnement.

Isotope radioactifType de désintégrationDemi-vie
Béryllium 8α0,000 000 000 000 000 2 seconde
Polonium 214α0,000 164 seconde
Magnésium 29β9,5 minutes
Iode 131β8,04 jours
Cobalt 60β5,3 années
Carbone 14β5 730 années
Plutonium 239α24 400 années
Uranium 235α704 000 000 années


On observe que le temps de demi-vie du carbone 14 est de 5 730 années. Si on possède un échantillon de 100 g de carbone 14, il faudra 5 730 années pour que la moitié de ces atomes instables se désintègrent. Il restera alors 50 g. Après une autre période de 5 730 années, la moitié des atomes restants auront disparus; il n'en restera plus que 25 g, et ainsi de suite.
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(cliquez sur l'image pour l'agrandir)

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