radioactivité

Radioactivité

La radioactivité, terme inventé vers 1898 par Pierre Curie, est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, pour se transmuter en des noyaux atomiques plus stables. Les rayonnements ainsi émis sont appelés, selon le cas, des rayons α, des rayons β ou des rayons γ.

On parle couramment de radioactivité alpha (α) pour désigner l'émission d'un noyau d'hélium ou hélion : _Z^AX → _Z-2^A-4Y + ₂⁴He. Ces hélions, encore appelés particules alpha, ont une charge 2^e, et une masse de 4,001 505 8 unités de masse atomique. La radioactivité bêta moins (β^-) affecte les nucléides X présentant un excès de neutrons. Elle se manifeste par la transformation dans le noyau d'un neutron en proton, le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un électron (ou particule bêta moins) et d'un antineutrino ν : _Z^AX → _Z+1^AY + _-1⁰e + ₀⁰ν. La radioactivité bêta plus (β⁺) ne concerne que des nucléides qui présentent un excès de protons. Elle se manifeste par la transformation dans le noyau d'un proton en neutron, le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un positon (ou positron, ou encore particule bêta plus) et d'un neutrino ν : Z^AX → _Z-1^AY + ₁⁰e + ₀⁰ν. Les désintégrations α, β^- et β⁺ sont toujours accompagnées de l'émission de photons de haute énergie ou rayons gamma, dont les longueurs d'onde sont généralement encore plus courtes que celles des rayons X, étant de l'ordre de 10^-9 m ou inférieures. Cette émission gamma (γ) résulte de l'émission de photons lors de transitions électroniques à partir de niveaux d'énergie excités avec des énergies mises en jeu de l'ordre du MeV.

Les radioéléments les plus fréquents dans les roches terrestres sont l'isotope 238 de l'uranium (²³⁸U), l'isotope 232 du thorium (²³²Th), et surtout l'isotope 40 du potassium (⁴⁰K). Outre ces isotopes radioactifs naturels encore relativement abondants, il existe dans la nature des isotopes radioactifs en abondances beaucoup plus faibles. Il s'agit notamment des éléments instables produits lors de la suite de désintégrations des isotopes mentionnés, par exemple de divers isotopes du radium et du radon. Un autre radioélément naturel est l'isotope 235 de l'uranium (²³⁵U) qui se trouve dans la nature en concentrations très faibles associées à l'isotope ²³⁸U, mais dont on « enrichit » la concentration par des techniques adaptées pour qu'il puisse servir à des besoins civils et militaires. Un autre radioisotope naturel est le radiocarbone, c'est-à-dire l'isotope 14 du carbone (¹⁴C). Ce dernier est constamment produit dans la haute atmosphère par des rayons cosmiques interagissant avec l'azote, et se détruit par désintégrations radioactives à peu près au même taux qu'il est produit, de sorte qu'il se produit un équilibre dynamique qui fait que la concentration du ¹⁴C reste plus ou moins constante au cours du temps dans l'air et dans les organismes vivants qui respirent cet air. Une fois un organisme mort, la concentration en ¹⁴C diminue dans ses tissus, et permet de dater le moment de la mort. Cette datation au radiocarbone est un outil de recherche très prisé en archéologie et permet de dater avec une bonne précision des objets organiques dont l'âge ne dépasse pas cinquante à cent mille ans.

Les rayonnements α, β et γ produits par la radioactivité sont des rayonnements ionisants qui interagissent avec la matière en provoquant une ionisation. L'irradiation d'un organisme entraîne des effets qui peuvent être plus ou moins néfastes pour la santé, selon les doses de radiation reçues et le type de rayonnement concerné.

1. Historique

La radioactivité fut découverte en 1896 par Henri Becquerel (1852-1908), lors de ses travaux sur la phosphorescence : les matières phosphorescentes émettent de la lumière dans le noir après expositions à la lumière, et Becquerel supposait que la lueur qui se produit dans les tubes cathodiques exposés aux rayons X pouvait être liée au phénomène de phosphorescence. Son expérience consistait à sceller une plaque photographique dans du papier noir et mettre ce paquet en contact avec différents matériaux phosphorescents. Tous ses résultats d'expérience furent négatifs, à l'exception de ceux mettant en cause des sels d'uranium, lesquels impressionnaient la plaque photographique à travers la couche de papier. Cependant, il apparut bientôt que l'impression de l'émulsion photographique n'avait rien à voir avec le phénomène de phosphorescence, car l'impression se faisait même lorsque l'uranium n'avait pas été exposé à la lumière au préalable. Par ailleurs, tous les composés d'uranium impressionnaient la plaque, y compris les sels d'uranium non phosphorescents et l'uranium métallique. À première vue, ce nouveau rayonnement était semblable au rayonnement X, découvert l'année précédente (en 1895) par le physicien allemand Wilhelm Röntgen (1845-1923). Des études ultérieures menées par Becquerel lui-même, ainsi que par Marie Curie-Skłodowska (1867-1934) qui, sur le conseil de son mari Pierre Curie (1859-1906), fit de la radioactivité le sujet de sa thèse de doctorat, ou encore par Ernest Rutherford (1871-1937) et d'autres hors de la France, montraient que la radioactivité est nettement plus complexe que le rayonnement X. En particulier, ils trouvaient qu'un champ électrique ou magnétique sépare les rayonnements « uraniques » en trois faisceaux distincts, qu'ils baptisaient α, β et γ. La direction de la déviation des faisceaux montrait que les particules α étaient chargées positivement, les β négativement, et que les γ étaient neutres. En outre, la magnitude de la déflection indiquait nettement que les particules α étaient bien plus massives que les β.

En faisant passer les rayons α dans un tube à décharge et en étudiant les raies spectrales ainsi produites, on pouvait conclure que le rayonnement α est constitué d'hélions, autrement dit de noyaux d'hélium (⁴He). D'autres expériences permettaient d'établir que les rayons β sont composés d'électrons comme les particules dans un tube cathodique, et que les γ sont, tout comme les rayons X, des photons très énergétiques. Par la suite, on découvrit que de nombreux autres éléments chimiques ont des isotopes radioactifs. Ainsi, en traitant des tonnes de pechblende, une roche uranifère, Marie Curie réussit à isoler quelques milligrammes de radium dont les propriétés chimiques sont tout à fait similaires à celles du baryum (les deux sont des métaux alcalino-terreux), mais qu'on arrive à distinguer à cause de la radioactivité du radium.

« Poudre Tho-Radia, à base de radium et thorium, selon la formule du Dr Alfred Curie… »

Les dangers de la radioactivité pour la santé ne furent pas immédiatement reconnus. Ainsi, Nikola Tesla (1856-1943), en soumettant volontairement en 1896 ses propres doigts à une irradiation par des rayons X, constata que les effets aigus de cette irradiation étaient des brûlures qu'il attribua, dans une publication, à la présence d'ozone. D'autre part, les effets mutagènes des radiations, en particulier les risques de cancer, ne furent découverts qu'en 1927 par Hermann Joseph Muller (1890-1967). Avant que les effets biologiques des radiations ne soient connus, des médecins et des sociétés attribuaient aux matières radioactives des propriétés thérapeutiques : le radium, en particulier, était populaire comme tonifiant, et fut prescrit sous forme d'amulettes ou de pastilles. Marie Curie s'est élevée contre cette mode, arguant que les effets des radiations sur le corps n'étaient pas encore bien compris. Durant les années 1930, les nombreuses morts qui ont semblé pouvoir être reliées à l'utilisation de produits contenant du radium ont fait passer cette mode.

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