La radioactivité est le processus par lequel des noyaux atomiques instables libèrent des particules subatomiques énergétiques ou un rayonnement électromagnétique (EMR). Ce phénomène peut provoquer la transformation d’un élément en un autre et est en partie responsable de la chaleur du noyau terrestre. La radioactivité a un large éventail d’utilisations, y compris l’énergie nucléaire, en médecine et dans la datation d’échantillons organiques et géologiques. Il est également potentiellement dangereux, car les particules et les radiations à haute énergie peuvent endommager et tuer les cellules et altérer l’ADN, provoquant le cancer.
Désintégration radioactive
On dit que les noyaux atomiques instables se désintègrent, ce qui signifie qu’ils perdent une partie de leur masse ou de leur énergie afin d’atteindre un état d’énergie plus stable et plus faible. Ce processus est le plus souvent observé dans les éléments les plus lourds, tels que l’uranium. Aucun des éléments plus lourds que le plomb n’a d’isotope stable, mais des éléments plus légers peuvent également exister sous des formes instables et radioactives, comme le carbone-14. On pense que la chaleur de la désintégration des éléments radioactifs maintient la température très élevée du noyau terrestre, le maintenant à l’état liquide, ce qui est essentiel au maintien du champ magnétique qui protège la planète des radiations nocives.
La désintégration radioactive est un processus aléatoire, ce qui signifie qu’il est physiquement impossible de prédire si un noyau atomique donné se désintégrera ou non et émettra un rayonnement à un moment donné. Au lieu de cela, il est quantifié par la demi-vie, qui est la période de temps nécessaire pour que la moitié d’un échantillon donné de noyaux se désintègre. La demi-vie s’applique à un échantillon de n’importe quelle taille, d’une quantité microscopique à tous les atomes de ce type dans l’univers. Différents isotopes radioactifs varient considérablement dans leurs demi-vies, qui vont de quelques secondes, dans le cas de l’astate-218, à des milliards d’années pour l’uranium-238.
Types de pourriture
Pour être stable, un noyau ne peut pas être trop lourd et doit avoir le bon équilibre de protons et de neutrons. Un noyau lourd, qui contient un grand nombre de protons et de neutrons, perdra tôt ou tard du poids, ou de la masse, en émettant une particule alpha, constituée de deux protons et de deux neutrons liés ensemble. Ces particules ont une charge électrique positive et, par rapport aux autres particules pouvant être émises, elles sont lourdes et se déplacent lentement. La désintégration alpha dans un élément le transforme en un élément plus léger.
La désintégration bêta se produit lorsqu’un noyau a trop de neutrons pour son nombre de protons. Dans ce processus, un neutron, qui est électriquement neutre, se transforme spontanément en un proton chargé positivement en émettant un électron chargé négativement. Ces électrons de haute énergie sont appelés rayons bêta ou particules bêta. Comme cela augmente le nombre de protons dans le noyau, cela signifie que l’atome se transforme en élément différent avec plus de protons.
Le processus inverse peut se produire lorsqu’il y a trop de protons par rapport aux neutrons. En d’autres termes, un proton se transforme en neutron en émettant un positron, qui est l’antiparticule chargée positivement de l’électron. C’est ce qu’on appelle parfois la désintégration bêta positive, et l’atome se transforme en un élément avec moins de protons. Les deux types de désintégration bêta produisent des particules chargées électriquement qui sont très légères et rapides.
Bien que ces transformations libèrent de l’énergie sous forme de masse, elles peuvent également laisser le noyau restant dans un état excité, où il a plus que sa quantité minimale d’énergie. Il perdra donc cette énergie supplémentaire en émettant un rayon gamma, une forme de rayonnement électromagnétique à très haute fréquence. Les rayons gamma n’ont pas de poids et voyagent à la vitesse de la lumière.
Certains noyaux lourds peuvent, au lieu d’émettre des particules alpha, se séparer, libérant beaucoup d’énergie, un processus connu sous le nom de fission nucléaire. Il peut se produire spontanément dans certains isotopes d’éléments lourds, comme l’uranium-235. Le processus libère également des neutrons. En plus de se produire spontanément, la fission peut être provoquée par un noyau lourd absorbant un neutron. Si suffisamment de matières fissiles sont rassemblées, une réaction en chaîne peut avoir lieu où les neutrons produits par la fission provoquent la division d’autres noyaux, libérant plus de neutrons, etc.
Les usages
Les utilisations les plus connues de la radioactivité sont peut-être dans les centrales nucléaires et dans les armes nucléaires. Les premières armes atomiques utilisaient une réaction en chaîne d’emballement pour libérer une énorme quantité d’énergie sous forme de chaleur intense, de lumière et de rayonnement ionisant. Bien que les armes nucléaires modernes utilisent principalement la fusion pour libérer de l’énergie, celle-ci est toujours déclenchée par une réaction de fission. Les centrales nucléaires utilisent une fission soigneusement contrôlée pour produire la chaleur nécessaire à l’entraînement des turbines à vapeur qui produisent de l’électricité.
En médecine, la radioactivité peut être utilisée de manière ciblée pour détruire les tumeurs cancéreuses. Puisqu’il est facilement détecté, il est également utilisé pour suivre la progression et l’absorption des médicaments par les organes, ou pour vérifier leur bon fonctionnement. Les isotopes radioactifs sont souvent utilisés pour dater des échantillons de matière. Les substances organiques peuvent être datées en mesurant la quantité de carbone 14 qu’elles contiennent, tandis que l’âge d’un échantillon de roche peut être déterminé en comparant les quantités de divers isotopes radioactifs présents. Cette technique a permis aux scientifiques de mesurer l’âge de la Terre.
Effets sur la santé
Dans un contexte de santé, toutes les émissions des noyaux atomiques en décomposition, qu’il s’agisse de particules ou de rayonnements électromagnétiques, ont tendance à être décrites comme des rayonnements, et elles sont toutes potentiellement dangereuses. Ces émissions sont soit ionisantes en elles-mêmes, soit interagissent avec la matière dans le corps d’une manière qui produit des rayonnements ionisants. Cela signifie qu’ils peuvent retirer des électrons des atomes, les transformant en ions chargés positivement. Ceux-ci peuvent alors réagir avec d’autres atomes dans une molécule, ou dans des molécules voisines, provoquant des changements chimiques qui peuvent tuer les cellules ou provoquer le cancer, surtout si le rayonnement a interagi avec l’ADN.
Le type de rayonnement le plus dangereux pour l’homme dépend des circonstances dans lesquelles il est rencontré. Les particules alpha ne peuvent parcourir qu’une courte distance dans l’air et ne peuvent pas pénétrer à travers la couche externe de la peau. Cependant, s’ils entrent en contact avec des tissus vivants, ils constituent la forme de rayonnement la plus dangereuse. Cela peut arriver si quelque chose qui émet un rayonnement alpha est avalé ou inhalé.
Le rayonnement bêta peut pénétrer dans la peau, mais est arrêté par une fine couche de métal, comme une feuille d’aluminium. Les neutrons et les rayonnements gamma sont beaucoup plus pénétrants et un blindage épais est nécessaire pour protéger la santé. Étant donné que la plupart des rayonnements gamma traversent le corps, ils sont généralement moins susceptibles de causer des maladies à de faibles niveaux, mais constituent toujours un danger très grave. Si les matériaux, y compris les tissus vivants, absorbent les neutrons, ils peuvent devenir eux-mêmes radioactifs.
L’exposition aux rayonnements nocifs est généralement mesurée en termes de quantité d’énergie absorbée par le matériau exposé, une mesure qui peut être appliquée à toutes les formes de rayonnement et à tous les matériaux, bien qu’elle soit le plus souvent utilisée dans le contexte de la santé humaine. L’unité SI pour l’exposition est le gris, un gris étant équivalent à un joule d’énergie absorbée par kilogramme de matière. Aux États-Unis, cependant, une autre unité – le rad, qui équivaut à 0.01 gray – est souvent utilisée.
Étant donné que différents types de radioactivité se comportent de différentes manières, une autre mesure, le sievert, est utilisée pour donner une meilleure idée des effets probables sur la santé d’une dose donnée. Elle est calculée en multipliant la dose en grays par un facteur de qualité spécifique au type de rayonnement. Par exemple, le facteur de qualité pour le rayonnement gamma est 1, mais la valeur pour les particules alpha est de 20. Par conséquent, l’exposition des tissus vivants à 0.1 gray de particules alpha entraînerait une dose de 2.0 sieverts, et devrait avoir vingt fois l’effet biologique comme un gris de rayonnement gamma. Une dose de quatre à cinq sieverts, reçue sur une courte période, comporte un risque de décès de 50 % dans les 30 jours.