2 >La radioactivité - CEA

4> DÉFINITION DE LA RADIOACTIVITÉ 5LA RADIOACTIVITÉ EST LA TRANSFORMATIOND’UN ATOME AVEC ÉMISSION DE RAYONNEMENTS.Définition dela radioactivitéLA RADIOACTIVITÉ,PROPRIÉTÉ NATURELLEDE CERTAINS ATOMESDans la nature, la plupart des noyaux d’atomessont stables.Cependant, certains atomes ont des noyauxinstables, ce qui est dû à un excès soit de protons,soit de neutrons, ou encore à un excèsdes deux. Ils sont dits radioactifs et sont appelésradio-isotopes ou radionucléides.Les noyaux d’atomes radioactifs se transformentspontanément en d’autres noyauxd’atomes, radioactifs ou non. Ainsi, de noyauradioactif en noyau radioactif, l’uranium 238tend à se transformer en une forme stable,le plomb 206. Cette transformation irréversibled’un atome radioactif en un autre atomeest appelée désintégration. Elle s’accompagned’une émission de différents types derayonnements.Un élément chimique peut donc avoir à lafois des isotopes radioactifs et des isotopesAtomes ayant le même nombrede protons et un nombre différentde neutrons. Ils appartiennentau même élément chimique(voir livret L’atome). Le carbone 12(six neutrons) et le carbone 14(huit neutrons) sont deux isotopesdu carbone.non radioactifs.Par exemple, lecarbone 12 n’estpas radioactif,alors que le carbone14 l’est.Les isotopesL’hydrogène 1 H Le deutérium 2 H ou D Le tritium 3 H ou T© ArtechniqueDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivitéNoyau1 électron{1 proton } NoyauDes radioéléments aux applications scientifiques1 électron{ 1 proton1 neutron}Noyau1 électron{ 1 proton2 neutrons}2 > La radioactivité

6 > DÉFINITION DE LA RADIOACTIVITÉLa radioactivité ne concernant que le noyauet non les électrons, les propriétés chimiquesdes isotopes radioactifssont lesmêmes que cellesdes isotopes stables.“Pour mesurer la radioactivitéon utilise différentes unités :becquerel, gray, sievert et curie.”Les propriétés chimiques d’un atomesont déterminées par le nombrede ses électrons (voir livret L’atome).LES MESURESDE LA RADIOACTIVITÉLe becquerel (Bq)Un échantillon radioactif se caractérise par sonactivité qui est le nombre de désintégrationsbecquerelLes unités de mesure de la radioactivitéde noyaux radioactifs par seconde qui seproduisent en son sein. L’unité d’activité est lebecquerel, de symbole Bq.1 Bq = 1 désintégration par seconde.Cette unité est très petite. L’activité de sourcesradioactives s’exprimera donc le plus souventen multiples du becquerel:•le kilobecquerel (kBq) = 1000 Bq,•le mégabecquerel (MBq) = 1 million de Bq,•le gigabecquerel (GBq) = 1 milliard de Bq,• le térabecquerel (TBq) = 1 000 milliardsde Bq.Cette image permet de symboliser la relation entre les trois unités de mesure de la radioactivité: un enfant lance des objetsen direction d’une camarade. Le nombre d’objets envoyés peut se comparer au becquerel (nombre de désintégrationspar seconde) ; le nombre d’objets reçu par la camarade, au gray (dose absorbée) ; les marques laissées sur son corps selonla nature des objets, lourds ou légers, au sievert (effet produit).graysievertLe gray (Gy)Cette unité permet de mesurer la quantitéde rayonnements absorbés – ou dose absorbée –par un organisme ou un objet exposé aux rayonnements.Le gray a remplacé le rad en 1986.•1 gray = 100 rads = 1 joule par kilo de matièreirradiée.Le sievert (Sv)Les effets biologiques des rayonnements surun organisme exposé (selon sa nature et lesorganes exposés) se mesurent en sievert ets’expriment également en “équivalent de dose”.L’unité la plus courante est le millisievert, oumillième de sievert.Le curie (Ci)L’ancienne unité de mesure de la radioactivitéest le curie (Ci). Le curie avait été défini commel’activité de 1 gramme de radium, élémentnaturel que l’on trouve dans les sols avecl’uranium. Cette unité est beaucoup plus grandeque le becquerel car, dans un gramme deradium, il se produit 37 milliards de désintégrationspar seconde. Donc un curie est égal à37 milliards de becquerels.Pour détecter et mesurer les rayonnementsémis par les isotopes radioactifs, on disposede différents types de détecteurs parmilesquels les tubes compteurs à gaz (compteurproportionnel, Geiger-Müller, chambred’ionisation), les scintillateurs couplés à desphotomultiplicateurs, les semi-conducteurs(silicium, germanium…).> DÉFINITION DE LA RADIOACTIVITÉ 7DÉCROISSANCE DE L’ACTIVITÉD’UN ÉCHANTILLONRADIOACTIFEN FONCTION DU TEMPS1 Bq = 1 désintégration par seconde.Au fur et à mesure que les noyaux setransforment par désintégration, l’activité del’échantillon diminue. Les lois du hasard, quigouvernent le phénomène de la radioactivité,font qu’au bout d’un temps T appelé période,l’activité de l’échantillon a été divisée par deux.Au bout de deux périodes, il reste un quart desnoyaux radioactifs d’un radioélément. Au bout detrois périodes, il reste un huitième des noyauxradioactifs d’un radioélément. Au bout de dixpériodes, il reste environ un millième des noyauxradioactifs d’un radioélément.ActivitéAoAo/2Ao/4Ao/80Lois de la radioactivitéT 2T 3T 4T 5T(Période)TempsCes détecteurs sont extrêmement sensibleset mesurent couramment des activités un millionde fois inférieures aux niveaux qui pourraientavoir des effets sur notre santé.LA DÉCROISSANCE RADIOACTIVEL’activité d’un échantillon radioactif diminueavec le temps du fait de la disparition progressivedes noyaux instables qu’il contient.La désintégration radioactive d’un noyau donnéest un phénomène aléatoire.Des radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivitéDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivité

8 > DÉFINITION DE LA RADIOACTIVITÉ> DÉFINITION DE LA RADIOACTIVITÉ“Selon les noyaux, la radioactivitédure quelques secondes, plusieurs joursou des milliards d’années.”9PÉRIODES DE QUELQUES CORPS RADIOACTIFSÉLÉMENTS CHIMIQUES PÉRIODE RADIOACTIVE ORIGINE PRÉSENCE EXEMPLES D’UTILISATIONTritium 12,3 ans Artificielle – Fusion thermonucléaireMarquage biologiqueCarbone 11 20,4 minutes Artificielle – Imagerie médicaleCarbone 14 5 730 ans Naturelle Atmosphère DatationComposés carbonésOxygène 15 2,02 minutes Artificielle – Imagerie médicalePhosphore 32 14,3 jours Artificielle – Recherche en biologieSoufre 35 87,4 jours Artificielle – Recherche en biologiePotassium 40 1,3 milliard d’années Naturelle Roches riches –en potassium, squeletteCobalt 60 5,27 ans Artificielle – RadiothérapieIrradiation industrielleGammagraphieStrontium 90 28,8 ans Artificielle Produit des Jauges d’épaisseurréacteurs nucléairesIode 123 13,2 heures Artificielle – Médecine nucléaireIode 131 8,05 jours Artificielle Produit des –réacteurs nucléairesCésium 137 30,2 ans Artificielle Produit des Curiethérapieréacteurs nucléairesThallium 201 3,04 jours Artificielle – Médecine nucléaireRadon 222 3,82 jours Naturelle Gaz s’échappant –des roches granitiquesRadium 226 1600 ans Naturelle Roches terrestres –contenant de l’uraniumThorium 232 14 milliards d’années Naturelle – Datation des minérauxCombustible potentielUranium 235 704 millions d’années Naturelle Certaines roches Dissuasion nucléaireterrestresCombustibleRoches granitiquesUranium 238 4,47 milliards d’années Naturelle Certaines roches Combustibleterrestresdans les réacteurs àRoches granitiques neutrons rapidesPlutonium 239 24100 ans Artificielle Produit des réacteurs Dissuasion nucléairenucléairesCombustibleOn peut cependant donner pour chaqueisotope radioactif une période radioactiveou demi-vie qui est le temps au bout duquella moitié des atomes radioactifs initialementprésents a disparu par transformationspontanée.Selon les noyaux radioactifs concernés, cettepériode est très variable: quelques secondes,heures… plusieurs jours… centaines d’années…ou milliards d’années.LES DIFFÉRENTS TYPESDE DÉSINTÉGRATIONSRadioactivité alphaLe rayonnement alpha est constitué d’un noyaud’hélium comprenant 2 protons et 2 neutrons.Il porte 2 charges positives.Des atomes dont les noyaux radioactifs sonttrop chargés en protons et en neutrons émettentsouvent un rayonnement alpha. Ils se transformenten un autre élément chimique dontle noyau est plus léger. Par exemple, l’uranium238 est radioactif alpha et se transformeen thorium 234.Hélium 4Radioactivité alpha (α)Thorium 234Radioactivité bêta moinsLe rayonnement bêta moins est constitué d’unélectron chargé négativement.Certains atomes dont les noyaux sont tropchargés en neutrons émettent un rayonnementbêta moins. Un des neutrons au seindu noyau se désintègre en un proton plus unélectron, ce dernier étant éjecté. Ainsil’atome s’est transformé en un autre élémentchimique.Par exemple, le thorium 234 est radioactif bêtamoins et se transforme en protactinium 234.ÉlectronRadioactivité bêta (β)Thorium 234Protactinium 234“La radioactivitése mesure au nombrede désintégrationspar seconde au seind’un échantillon.”Uranium 238Des radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivitéDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivité

10> DÉFINITION DE LA RADIOACTIVITÉ11NATURELLE OU ARTIFICIELLE,LA RADIOACTIVITÉ EST PRÉSENTE PARTOUT.Radioactivité bêta plusLe rayonnement bêta plus est constitué d’unpositon (particule de même masse que l’électronmais chargée positivement).Certains atomes dont les noyaux sont tropchargés en protons émettent un rayonnementbêta plus. Un des protons au sein du noyau sedésintègre en un neutron plus un positon, cedernier étant éjecté. Ainsi l’atome s’est transforméen un autre élément chimique. Parexemple, l’iode 122 est un radioactif bêta pluset se transforme en tellure 122. Notons quepour les deux types de désintégration bêta, lenoyau garde le même nombre de nucléons(donc la même masse atomique).La radioactivité gammaLe rayonnement gamma est une onde électromagnétiquecomme la lumière visible oules rayons X mais plus énergétique.Ce rayonnement suit souvent une désintégrationalpha ou bêta. Après émission de la particulealpha ou bêta, le noyau est encore excité car sesprotons et ses neutrons n’ont pas trouvé leur équilibre.Il se libère alors rapidement d’un trop-pleind’énergie par émission d’un rayonnement gamma.C’est la radioactivité gamma. Par exemple, lecobalt 60 se transforme par désintégration bêtaen nickel 60 qui atteint un état stable en émettantun rayonnement gamma.© CEA/A. GoninLa babyline est un appareil très sensible aux rayonnementsqui est utilisé lors du contrôle de déchets.Cobalt 60Le rayonnement gamma (γ)Émission β -Nickel 60ÉlectronRayonnementgammaÉmission γLes originesdes radioéléments© PhotoDiscDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivitéDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivité

12> LES ORIGINES DES RADIOÉLÉMENTS > LES ORIGINES DES RADIOÉLÉMENTS 13© PhtoDiscLES RADIO-ISOTOPES NATURELSLors de la formation de la Terre, il y a environ5 milliards d’années, la matière comprenaitdes atomes stables et instables. Mais depuis,la majorité des atomes instables se sont désintégréspar radioactivité et la plupart d’entreeux ont fini par atteindre la stabilité. Cependant,il existe toujours quelques atomes radioactifsnaturels:“La radioactiviténaturelle provient desradioéléments produitsdans les étoiles il y ades milliards d’années.”• les radio-isotopes caractérisés par unetrès longue demi-vie comme l’uranium 238(4,5 milliards d’années) et le potassium 40(1,3 milliard d’années). Ils n’ont pas encoreeu le temps de tous se désintégrer depuis qu’ilsont été créés;• les descendants radioactifs des précédentscomme le radium 226 qui est en permanencerégénéré après désintégration de l’uranium 238.Le radium 226 se transforme lentement en ungaz lui-même radioactif, le radon 222;• les radio-isotopes créés par l’action desrayonnements cosmiques sur certains noyauxLes rayonnements cosmiquesnous parviennent sans arrêtde l’Univers et sont parfois trèsénergétiques (voir livret L’hommeet les rayonnements).d’atomes. C’est lecas, par exemple,du carbone 14 quise forme en permanencedans l’atmosphère.QUELQUES EXEMPLESD’ACTIVITÉ D’ÉCHANTILLONSRADIOACTIFS DE NOTREENVIRONNEMENT• Le granite: 1000 becquerels par kg.• Le corps humain: un individu de 70 kg a uneactivité de l’ordre de 8000 becquerelsdont environ 5000 becquerels dusau potassium 40 (dans les os).• Le lait: 80 becquerels par litre.• L’eau de mer: 10 becquerelspar litre.© Image Library© RMN – H. LewandowskiCes radio-isotopes naturels sont présents surtoute la planète, dans l’atmosphère (carbone14, radon 222), dans la croûte terrestre(uranium 238 et uranium 235, radium 226…)et dans notre alimentation (potassium 40).Voilà pourquoi tout ce qui nous entoure estradioactif. Depuis l’aube des temps, la Terreet les êtres vivants sont donc plongés dans unvéritable bain de radioactivité. Ce n’est querécemment (à peine plus de cent ans) quel’homme a découvert avec les travaux d’HenriBecquerel qu’il avait toujours vécu dans cetteambiance.Aphrodite accroupie, exposée au départementdes antiquités grecques, étrusques et romainesdu musée du Louvre. La gammagraphie a permisde mettre en évidence les consolidationsantérieures de cette statue de marbre et de situeravec précision inserts métalliques et cavités.© CEALES RADIO-ISOTOPESARTIFICIELSLa production de radio-isotopes artificiels sefait au moyen d’un cyclotron ou d’un réacteurnucléaire et permet de nombreuses applications.Certains radio-isotopes (cobalt 60,iridium 192…) peuvent être utilisés commesource de rayonnements pour des radiographiesgamma (ou gammagraphies) ou comme sourced’irradiation pour la radiothérapie ou pourdes applications industrielles. De telles sourcessont couramment utilisées en médecine etdans l’industrie (voir livret L’homme et lesrayonnements). D’autres radio-isotopes artificielssont créés dans les réacteurs nucléaires(strontium 90, césium 137…). Certains nesont pas utilisés par l’homme. Ils constituentce que l’on appelle les déchets nucléaires.Fortement radioactifs, ils doivent être stockéssous haute surveillance et isolés de l’homme(voir livret Le cycle du combustible).“Pour les besoinsde la médecineou de l’industrie,l’homme créede la radioactivitéartificielle.”Des radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivitéDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivité

14LA RADIOACTIVITÉ EST UN MOYENEXTRAORDINAIRE POUR EXPLORER L’ÊTREHUMAIN ET L’ENVIRONNEMENT.Les applicationsde la radioactivitéLES TRACEURS RADIOACTIFSPrincipeLes propriétés chimiques d’un isotope radioactifsont identiques à celles d’un isotope stable,à la seule différence que le radio-isotope estinstable. Cette instabilité provoque la désintégrationqui se traduit par l’émission de rayonnements.Il suffit alors de disposer d’outils dedétection appropriés pour suivre à la trace cesradio-isotopes. Par exemple, le potassium 40qui est mélangé au potassium stable dans notrealimentation va suivre exactement le même trajetdans notre corps que ses isotopes stables. Ladétection des rayonnements émis par le potassium40 permet alors de suivre à la trace le> LES APPLICATIONS DE LA RADIOACTIVITÉ“Grâce aux rayonnementsradioactifs,il est possiblede suivre à la tracele déplacement d’uneespèce chimiquedans le corps humain.”déplacement de l’ensemble du potassium. Unradio-isotope peut donc servir de traceur à l’aided’outils de détection appropriés.Il est aussi possible de connaître la localisationd’une molécule par le même principe. Cettedernière est marquée par un radio-isotope quilui sert d’étiquette. Le marquage peut êtreeffectué de deux manières: remplacement d’unatome de la molécule par un de ses isotopesradioactifs ou accrochage à la molécule d’unatome radioactif. La molécule marquée estalors un traceur.15Images du cerveau réalisées grâce à des traceurs.© CEA/L. Médard© CEADes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivitéDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivité

16> LES APPLICATIONS DE LA RADIOACTIVITÉ > LES APPLICATIONS DE LA RADIOACTIVITÉ 17“La radioactivité a favorisé la recherchebiologique et les progrès de la médecinetout au long du XX e siècle.”Injection de traceurs, utilisés dans l’imagerie médicale.© CEA/L. MédardOn utilise cette méthode en médecine pour suivrel’action d’un médicament, par exemple, ou biendans l’étude du déplacement de produits dansl’environnement… Il faut bien noter que dansces cas précis, le traceur est utilisé en très petitesquantités qui sont bien suffisantes car les appareilsde détection des rayonnements sont trèssensibles. Les effets des rayonnements radioactifsne sont ainsi pas dangereux à ces trèsfaibles doses (voir livret L’homme et les rayonnements).De plus, la période de ces isotopesest courte (de quelques minutes à quelques jours)et ils disparaissent très rapidement de notre corpsou de notre environnement.Applications des traceursen médecineLes possibilités offertes par les applicationsdes traceurs et de la radioactivité en recherchebiologique et en médecine ont été l’un desfacteurs essentiels du progrès médical au coursdu XX e siècle.Ainsi, par exemple, des isotopes ont permis, àAvery en 1943, de montrer que l’ADN était lesupport de l’hérédité. Dans les années qui ontsuivi, ils ont conduit à l’avènement de la biologiemoléculaire avec la détermination du code génétique,la caractérisation des réactions chimiquesassurant le fonctionnement cellulaire ou encorela compréhension des mécanismes énergétiques.Par ailleurs, des techniques utilisant la radioactivitéélargissent les possibilités de diagnosticpour détecter et mieux guérir les maladies: c’estla médecine nucléaire. Au lieu de faire passer© PhotoDiscles rayonnements à travers l’ensemble du corpscomme dans la radiographie, on introduit dansl’organisme une petite quantité de produit marquépar un radio-isotope émetteur de rayonnementsgamma ou de rayonnements bêta plus donnantensuite des rayonnements gamma. Ce produitreconnaîtra certaines cellules de l’organisme etindiquera si elles fonctionnent correctement. Parexemple, le thallium 201 permet d’observerdirectement le fonctionnement du cœur et devoir s’il présente des signes de faiblesse.D’autres types d’examens détecteront la présencede tumeurs dans les os.Les chercheurs utilisent aussi la médecinenucléaire pour comprendre le fonctionnementRadio-isotopes naturels ou artificiels constituentdes traceurs utilisés, entre autres choses, pour suivrela progression de masses d’air ou d’eau…des organes. Par exemple, pour le cerveau,les techniques mises en œuvre permettentd’observer directement les parties de celui-ciimpliquées dans la vision, la mémorisation,l’apprentissage des langues ou le calcul mental.En recherche, le marquage d’une molécule(médicaments, produits énergétiques…) permetde suivre son devenir dans la cellule ou dansl’organisme. Cela permet de concevoir desmédicaments.Applications des traceurspour l’étude de l’environnementLa mesure de l’absorption du rayonnementémis par une très petite source permet demesurer la densité du milieu traversé. On peutainsi suivre en continu la teneur de matièresen suspension dans l’eau d’un fleuve commeDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivitéDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivité

18> LES APPLICATIONS DE LA RADIOACTIVITÉ > LES APPLICATIONS DE LA RADIOACTIVITÉ 19Bison de la grotte ornée de Niaux(Ariège) dessiné il y a 13000 ans.Datation directe de la fresque parle carbone 14.© Getty© GettyLes traceurs sont utilisés dans le milieu industriel,notamment pétrochimique.le Rhône et réguler la purge de son barrage, defaçon à ne pas dépasser le niveau qui mettraiten péril la faune et la flore du fleuve.Mais on peut également, en marquant un sédimentou un polluant avec un radio-isotope, lesuivre à la trace. Cela permet d’optimiser destracés de routes ou d’autoroutes pour minimiserles risques de pollution, ou de contrôler siles sites de stockage des déchets n’ont pasd’infiltration dans le sol.Les chercheurs utilisent aussi le déplacementde radio-isotopes naturels ou artificiels poursuivre, par exemple, le déplacement de massesd’air, de masses d’eau…Applications des traceursdans l’industrieL’industrie utilise de nombreux réacteurscomplexes et aux parois opaques. Les traceursMARQUAGE AU PROFIT DELA PRODUCTION INDUSTRIELLEL’injection de traceurs dans un réacteur industrieldoit être aussi brève que possible pour que lafonction enregistrée aux points de mesures choisispuisse être considérée comme une Distributiondes Temps de Séjour (DTS) de la phase marquée.De cette DTS, on peut en déduire les paramètresde transfert de la phase marquée dans le systèmetels que vitesse d’écoulement, débit, volume mort,courts-circuits…Ces mesures permettent d’optimiser la production enéconomisant de la matière première et en diminuantles rejets dans l’environnement.radioactifs peuvent êtredétectés à travers ces parois.Ils permettent d’étudier lecomportement de fluides àl’intérieur de ces réacteurs.Les industries concernéessont multiples: la chimie, lepétrole et la pétrochimie, la fabrication deciment, d’engrais, de pâte à papier, de chlore,de soude, d’explosifs, la métallurgie, l’énergie…L’opération consiste à marquer une fine tranchede matière à l'entrée de l’appareil à étudieret à observer en différents endroits la courbede restitution de la concentration du traceuren fonction du temps (voir encadré).LA DATATIONCertains éléments radioactifs naturels constituentde véritables chronomètres pour remonterdans le temps. Des méthodes de datation ont étémises au point, fondées sur la décroissance dela radioactivité contenue dans les objets ouvestiges étudiés.On peut ainsi remonter jusqu’à des dizainesde milliers d’années dans le passé avec le carbone14, voire bien davantage avec d’autresméthodes telles que la thermoluminescenceou la méthode uranium-thorium.La datation au carbone 14 permet d’aborderl’étude de l’histoire de l’Homme et de sonenvironnement pendant la période de 5000 à50000 ans avant le temps présent.Le carbone est très répandu dans notre environnementet, en particulier, il entre dans la© CEAconstitution de la molécule de gaz carboniqueprésente dans l’atmosphère. Ce carbone estconstitué principalement de carbone 12.Cependant, une petite proportion de carbone14 radioactif se trouve à l’état naturel. Lerapport carbone 14/carbone 12 est équilibréentre l’atmosphère et le monde du vivant(animal, végétal…) durant toute la vie dechaque individu grâce aux échanges nécessairesà celle-ci (respiration, photosynthèseet alimentation).Après la mort d’un organisme, le carbone 14n’est plus renouvelé par un échange avec lemonde extérieur. Sa proportion diminue dansles organismes car il se désintègre petit à petit.La mesure du rapport carbone 14/carbone 12permet donc de dater la mort. Moins il restede carbone 14 dans le fossile à dater, plus lamort est ancienne.“La radioactivité estutilisée pour dater desvestiges de l’histoireou de la préhistoire.”Des radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivitéDes radioéléments aux applications scientifiques2 > La radioactivité