Origines de la radioactivité
La radioactivité à été découverte par le physicien français Henri becquerel en 1896, tout à fait par hasard. Il avait en effet rangé des plaques photographiques au contact de sels d'uraniums dans un tiroir. Celles-ci ont été impressionnées alors qu'elles étaient dans l'obscurité. Becquerel en déduit donc que les sels d'uraniums émettaient des radiations.
Les chimistes français Pierre et Marie Curie montrèrent deux ans plus tard que la radioactivité était due aux atomes. E Rutherford prouva en 1911 l'existence d'un noyau dans l'atome. Par la suite, l'hypothèse s'est transformée en une théorie élaborée de la structure atomique, qui explique le phénomène de la radioactivité. Il démontre en effet avec l'aide de F Soddy que les radiations sont dues à des désintégrations de noyau atomique instables. Les principales lois de la radioactivité ont été instaurées dans la première moitié du XXe siècle.
La radioactivité est liée à l'atome. Rutherford découvre en 1911 que l'atome est composé de 3 particules: le proton, l'électron, et le neutron. Le proton est chargé positivement et sa charge est la charge élémentaire (e=1,60*10-17 Coulombs). Le neutron est quand à lui électriquement neutre. Ces deux particules composent le noyau de l'atome et ont à peu près le même poids (1,67*10-27 Kilogramme) et la même taille, c'est pourquoi on les regroupe sous le nom de nucléon. Le noyau possède un rayon d'environ 10-15 mètre. Autour de celui ci gravite un nuage d'électrons, dont le poids est 2000 fois inférieur à ceux des nucléons. Les électrons sont chargés négativement, de charge -e : cela donne un atome électriquement neutre, car le nombre de proton est égal au nombre d'électron dans un atome.
Masse atomique et isotopes
Dans la modélisation de l'atome, X représente le symbole de l'élément chimique, A est le nombre de masse c'est à dire le nombre de nucléons du noyau, et Z est le numéro atomique (ou nombre de proton ou d'électron dans un atome. Le nombre de neutrons est donné par la différence entre A et Z (A-Z neutron). Certains élément comme le carbone (C) ont le même numéro atomique pour un nombre de masse différent. Ces différentes sortes du même élément sont des isotopes.
Unités de mesure des atomes
A l'échelle atomique, l'unité de masse atomique est représentée par le symbole: u et correspond à la masse d'un atome de carbone.
Elle a été créée car le kilogramme est peu pratique. Une mole de carbone C, pèse 12 grammes.lNa est le nombre d'Avogadro soit 6,022*1023 atomes par mole. La masse d'un nucléon est proche de 1u car un électron est 2000 fois inférieur au nucléon et est donc souvent négligé.
Les radiations
Il existe plusieurs types de radiations: radiation a (alpha), b (bêta), et g (gamma).
Les émissions gamma
Lors d'une désintégration nucléaire, le noyau instable, appelé noyau père, donne un noyau différent, appelé noyau fils. Le noyau fils issu de la désintégration du noyau père est dans un état momentanément instable, appelé état excité (noté X*). Il possède un excédent d'énergie et devient stable en libérant cet excédent d'énergie sous forme de rayonnement . On dit qu'il se désexcite.
Les rayons sont de nature électromagnétique et ne sont donc pas chargés et ils n'ionisent que très peu la matière qu'ils traversent. Ce sont cependant les rayons les plus dangereux car ils sont très pénétrants, puisqu'ils peuvent traverser plusieurs centimètre de plomb. Ces rayons possèdent une longueur d'onde très courte.
La radioactivité a.
Pendant une désintégration a, un noyau lourd (tel que l'uranium) expulse une particule a. Cette particule est en fait un noyau d'hélium He (ou ion He2+) éjecté à très grande vitesse (de l'ordre de 20 000 km.s-1).Les particules sont chargées positivement comme l'a montré Rutherford, et sont très ionisantes. Une feuille de papier ou quelque centimètre dans l'air suffit à les arrêter. Cela donne un élément fils plus léger et généralement dans un état excité, noté Y*. L'expulsion a vérifie la conservation des nombres de masses et des numéros atomiques : comme il y a perte d'un noyau He alors Zy = Zx - 2, et Ay = Ax - 4.La désexcitation du noyau fils s'accompagne d'émission de rayonnements . On écrit alors ainsi l'équation bilan d'une désintégration a.
La radioactivité b
Il existe deux types de radioactivité b : la b- et la b+ . Ces radiations sont plus rapides que pour les particules a, mais sont moins ionisantes. Elles sont chargées négativement ou positivement (suivant le signe) et sont arrêtées par un écran de Plexiglas ou de plomb. Comme pour la radiation a, le noyau se désintègre et donne un noyau fils qui se désexcite en libérant des rayonnements gamma.
La radioactivité b-
Lors de cette désintégration, plusieurs types de particules sont émises. Tout d'abord un électron noté e car son nombre de masse est nul (son poids est considéré comme négligeable), et sa charge est la charge élémentaire négative. Ensuite un antineutrino, particule électriquement neutre et de masse quasi nulle qui fut très difficile à détecter. C'est l'antiparticule du neutrino. Et enfin des rayonnements gamma émis lors de la désexcitation du noyau fils.
Le nombre de charge est Z +1 car 1 neutron est en fait un proton plus un électron. Or, un électron est parti, il y a donc une charge élémentaire en plus.
La radioactivité b+
La radioactivité b+ possède les mêmes propriétés que la b-, à ceci près qu'elle est chargée positivement et qu'elle n'a lieu que pour des radionucléïdes artificiels. Cette désintégration a aussi lieu seulement dans le cas où un noyau instable aurait un excès de protons. Se produit de nouveau dans cette désintégration une émission de particules : le positron. C'est l'antiparticule de l'électron. Il a pour symbole e. Il possède la même masse que l'électron et seul le signe de sa charge change, ce qui est le principe de toute antiparticule.
Le neutrino est une toute petite particule de charge électrique neutre et de masse quasiment nulle. On le note v
Il y a enfin émission de radiation gamma, par désexcitation du noyau fils. Le nombre de charge est ici de Z -1 car en fait un proton est égal à un neutron auquel on ajoute un positron. Or, comme on éjecte un positron, il y a une charge élémentaire en moins.
Détection de radioactivité et protection contre ses effets
Pour détecter une activité radioactive, on utilise un compteur Geiger-Muller. Celui-ci fut mis au point en 1913 par Geiger et amélioré en 1928 par Geiger et Muller. Cet appareil est constitué d'un tube rempli de gaz rare dans lequel règne un fort champ électrique. Les gaz sont généralement un mélange hélium-argon.
Au contact d'éléments radioactifs, les gaz sont ionisés par les particules émises. Chaque ionisation est enregistrée sous forme de d'une impulsion. En comptant les impulsions, on détermine le nombre de particule et donc le nombre de désintégrations. Un son très caractéristique est également émis
En ce qui concerne la protection, elle est adaptée aux différents types de radiations émises.
La particule alpha est peu dangereuse car elle est arrêtée par une simple feuille de papier ou par quelques centimètres parcourus dans l'air. La particule bêta est plus dangereuse puisqu'il faut quelques centimètres d'aluminium pour l'arrêter.
Le rayonnement gamma est un rayonnement électromagnétique de longueur d'ondes est très courte. Il est très pénétrant et peut passer au travers de plusieurs centimètres de plomb. Il s'agit du plus gros danger de la radioactivité et c'est pourquoi de grandes quantités de plomb ou de béton sont requises en cas de transfert de matériel radioactif ou pour son utilisation.
Activité et période
L'activité A d'un radionucléïde donné mesure le nombre de désintégrations par unité de temps. Elle est la plupart du temps donné en becquerel, du nom du physicien, et notée Bq. Un becquerel correspond à une désintégration par seconde. Lors de grosses désintégrations comme dans les centrales nucléaires, on utilise plutôt le curie, du nom des physiciens et noté Ci. Cette unité est beaucoup plus grande que le becquerel puisque :
1Ci = 3 ,7*1010 Bq
Ni constante ni infinie, l'activité diminue en fonction du temps. On appelle période le temps que met l'activité d'un radionucléïdes pour diminuer de moitié. Chaque radionucléïdes possède sa propre période et ceci constitue un moyen de les différencier. Cette période noté T, également appelée demi-vie, peut varier de plusieurs millions d'années pour l'uranium 235 à quelques heures, pour le technétium 99.
Les unités
Outre les unités d'activité que sont le Becquerel et le Curie, il existe d'autres unités permettant de mesurer la radioactivité et ses différents effets.
Le Gray (Gy) et le Rad (rd) mesurent l'énergie reçue par la matière irradiée par unité de masse. Pour info, 1Gray = 100 Rad. Il existe également deux dérivés de ces unités qui permettent de mesurer le débit de dose absorbée par unité de masse et de temps. On obtient alors le gray par heure et le Rad par heure, avec toujours
1Gray/h = 100 Rad/h.
Deux unités mesurent les effets sur l'homme : Le Sievert (Sv) et le Rem (rem). Ces unités mesurent les dégâts biologiques sur des tissus vivants irradiés. Pour ces deux unités, il existe également des équivalences pour mesurer les dégâts biologiques en fonction du temps, ce qui donne le Sievert par heure et le rem par heure. On observe les même égalités
1 Sv = 100 rem et 1 Sv/h = 100 rem/h
Parmi toutes ces unités, seule la moitié environ sert réellement, notamment le Sievert et le Gray.
En France, le nucléaire reste une source d'appréhension. Quels sont les risques liés au nucléaire et comment peut-on les réduire? Peut-on se passer du nucléaire en France ? Pour le cas de la France, le potentiel des énergies renouvelables ne permet pas de remplacer la totalité du nucléaire. Le nucléaire ne comporte pas de problème de stocks et ne rejette pas de gaz à effet de serre. Mais la pollution est très importante, avec les déchêts radioactifs.
Comme toute installation industrielle, une centrale nucléaire ne peut pas être intrinsèquement sûre. Cependant si le risque zéro n'existe pas, des dispositions sont prises pour prévenir les accidents ou pour en limiter les effets. Les marges de sécurité sont sans cesse revues, quantifiées et corrigées au gré des progrès techniques, des avancées scientifiques, des règlements sanitaires, de l'environnement et des expériences du parc existant et récemment en fonction de la menace terroriste grandissante.
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