Introduction à la physique nucléaire
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Physique Physique nucléaire 3°degré Introduction à la physique nucléaire La structure de l’atome Un atome est constitué d'un noyau central et d'un nuage électronique. Composition du noyau Le noyau se compose de nucléons : les protons et de neutrons ; les protons et les neutrons ont une masse très proche l’une de l’autre, et de l’unité de masse atomique (uma). Mais le neutron, comme son nom l’indique, ne comporte pas de charge électrique, tandis que le proton a une charge positive, égale en valeur absolue à celle de l’électron. Le nombre de neutrons est lié au nombre de protons : plus il y a de protons, plus il y a de neutrons. Le rapport du nombre de protons sur le nombre de neutrons est proche de 1 pour les éléments dont le nombre de protons est inférieur à 20. Au-delà, il y a un excédent de neutrons. L’hydrogène, élément à proton unique, n’a pas de neutron, tandis qu’à l’opposé, l’uranium, avec ses 92 protons, a 146 neutrons, soit un excès de 54 neutrons. -1- Physique Physique nucléaire 3°degré Tout donne lieu à croire que les neutrons servent de « colle » pour maintenir ensemble les protons, chargés positivement, et qui de ce fait se repoussent à cause de la force de Coulomb. Si des nucléons de même charge sont suffisamment proches, les forces de cohésion peuvent compenser les forces de répulsion électrostatiques, mais en présence de nombreuses charges, des neutrons supplémentaires semblent nécessaires. Il n’empêche, la taille de l’édifice ne peut croître indéfiniment, et il n’y a pas d’atome stable qui possède plus de 92 protons (et 146 neutrons). Nomenclature Le nombre de protons dans un noyau est noté Z, et s’appelle le numéro atomique. Il varie de 1 pour l’hydrogène, à 92 pour l’Uranium, qui est l’élément naturel qui possède le plus grand nombre de protons. Le nombre de neutrons se note N, et comme vu précédemment, est généralement égal ou supérieur au nombre de protons. La somme du nombre de protons et du nombre de neutrons, donc le nombre de nucléons se note A, et varie de 0 pour l’hydrogène à 238 pour l’uranium 238. Exemples L'atome de chlore possède un noyau central contenant Z = 17 protons positifs et N = 18 neutrons. Le nombre de nucléons est donc A = Z + N = 17 + 18 = 35. On symbolise ce noyau par . De façon générale le noyau d'un atome correspondant à un élément X constitué de A nucléons (Z protons et N neutrons) est noté Z X . La relation A = Z + N permet de calculer le nombre de neutrons présents dans le noyau. En résumé, le noyau contient des protons positifs qui se repoussent. La cohésion du noyau est assurée par l'interaction forte entre les nucléons. A Le nuage électronique Outre les nucléons du noyau, l’atome possède son « cortège électronique ». Les premiers modèles décrivaient l’atome comme un noyau central autour duquel gravitent les électrons. Ce modèle est remplacé par le modèle du nuage électronique. Le noyau est entouré de zones de « densité de probabilité » de trouver un électron. Un atome, étant électriquement neutre, possédera autant d'électrons négatifs dans le nuage électronique que de protons positifs dans le noyau. Le diamètre d'un noyau est de l'ordre de 10 - 15 m. Le diamètre d'un atome est de l'ordre de 10 10 m. L'atome de chlore possédant 17 protons positifs p + dans le noyau aura donc 17 électrons négatifs e - répartis sur trois couches (K)2, (L)8, (M)7, loin du noyau. REGLE : La couche n (entier) contient au maximum 2 x n² électrons. -2- Physique Physique nucléaire 3°degré nombre maxi d’électrons Couche n = 1 (K) n = 2 (L) n = 3 (M) 2 x 3² = 18 électrons Ce sont ces couches, ou orbitales électroniques qui sont responsables des propriétés chimiques des atomes. Un élément est donc déterminé par son nombre d’électrons, donc son nombre de protons. Masse et énergie La masse d’un atome est très petite. On pourrait l’exprimer selon les règles classiques, c’est à dire en kilogrammes, mais il faudrait alors manipuler des nombres extrêmement petits. La masse d’un atome est de l’ordre de 10-27 kg. La masse des petits atomes est, conformément à notre attente, plus faible que celle des gros atomes. On remarque que la masse de tous les atomes est un multiple de la masse de l’atome d’hydrogène. Pourquoi ne pas, dès lors, prendre comme unité de masse atomique la masse de l’atome d’hydrogène ? C’est un peu ce que l’on a fait, si ce n’est que l’on prend comme référence le douzième de la masse de l’atome de 12C. L'unité de masse atomique unifiée (symbole: u, ou uma) est une unité de mesure standard, utilisée pour mesurer la masse des atomes Cette unité n'appartient pas au système international (SI), et sa valeur est obtenue expérimentalement. Elle est définie comme 1/12 de la masse d'un atome de 12C (carbone), non lié à d’autres atomes. En d'autres termes un atome de 12C a une masse de 12 uma et si on prend N = 6,023 x 1023 atomes de 12C, on aura une masse de 12g; Une uma de 12C vaut approximativement 1, 660 540 x 10-27kg Pour rappel, N est le nombre d’Avogadro. La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément est la masse relative d'un atome de cet isotope par rapport à celle du carbone 12C dont la masse atomique est fixée par convention à 12. La masse atomique est un nombre sans dimensions qui est assez proche de la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons dans le noyau de l'atome. La masse atomique d’un élément chimique est la moyenne pondérée des masses atomiques de ses différents isotopes. La masse atomique du carbone 12C est de 12,01 car il existe une infime proportion d’isotopes 13C et 14C. Ces isotopes ont une masse atomique plus élevée que le carbone 12C, car ils ont respectivement 1 et 2 neutrons surnuméraires. -3- Physique Physique nucléaire 3°degré Les noyaux atomiques sont donc constitués de protons (p) et de neutrons (n). Ces deux types de particules, que l'on englobe sous le terme nucléons, ont presque la même masse : 1,00727 uma pour les protons, 1,00866 uma pour les neutrons.) Seuls les protons sont porteurs d'une charge électrique (+1e). Le nombre de protons indique le numéro atomique (noté Z) de l'élément correspondant, tandis que le nombre de masse (noté A) est égal à la somme des protons et de neutrons. La masse atomique, quant à elle, tient compte également des électrons, dont la masse est cependant négligeable par rapport à celle des autres nucléons ( la masse d’un électron est environ 1836 fois plus petite que la masse d’un neutron ou d’un proton ) mais elle tient compte aussi des isotopes. Les isotopes d’un élément sont ses variantes atomiques, qui diffèrent en général de l’élément de base par le nombre de neutrons. Pour rappel, la masse atomique est la masse qui correspond à un douzième de la masse de 6,023 x 1023 atomes de carbone. Nucléon Proton Neutron masse en uma 1,00727 1,00866 masse en kg 1,67261 x 10-27 1,67492 x 10-27 Le défaut de masse En y regardant de plus près, étant donné les concepts ci-dessus, on peut se poser la question suivante : Pourquoi la masse atomique du carbone 12, par exemple, qui est de 12,01, est-elle assez nettement inférieure à la somme des masses des nucléons ? Ceci est bien réel : la somme des masses des nucléons individuels libres est supérieure à la masse de ces mêmes nucléons liés au sein d’un noyau d’atome. De plus, il faudrait encore ajouter à la masse atomique de l’atome la masse des électrons, mais celle-ci étant largement inférieure à la masse des nucléons, on peut la négliger. Reprenons l’exemple du carbone 12. Les nucléons pèsent : (6 x 1,00866) + (6 x 1,00727) = 12,09558 uma. L’atome de carbone 12 pèse, par définition, 12 uma. 0,09558 uma ont donc « disparu » lors de la constitution du noyau de carbone à partir des 6 protons et des 6 neutrons. C’est un peu comme si la masse d’un empilement de blocs de béton était inférieure à la somme des masses de chaque bloc pris individuellement. Cette perte de masse lors de l’assemblage de nucléons en noyaux d’atomes porte un nom : c’est le « défaut de masse ». On peut calculer ce défaut de masse non pas en uma, mais en kg : il est, pour l’atome de carbone 12, de 0,09558 x 1, 660 540 x 10-27 soit 1,587 x 10-28 kg. Cela peut paraître dérisoire, mais est à mettre en rapport avec la masse et la taille très petite des nucléons : il s’agit tout de même d’un pratiquement un dixième d’uma pour douze nucléons. -4- Physique Physique nucléaire 3°degré Défaut de masse et énergie Où est passée la masse des nucléons individuels liés lors de la constitution d’un noyau ? Tout simplement dans l’énergie de liaison ! En effet, nous savons par la théorie de la relativité que masse et énergie sont intimement liées, par la relation E = mc², où c représente la vitesse de la lumière dans le vide et vaut 3 x 108 m/s. Il ne faut pas confondre cette relation avec Ep = mv2/2, du ressort de la mécanique classique ! La théorie relativiste nous apprend que la masse peut devenir énergie et vice-versa. Le défaut de masse apparaît aussi en chimie classique, mais de manière beaucoup moins perceptible. C’est l’importance de ce défaut de masse au niveau des nucléons qui est responsable des grandes quantités d’énergie qui entrent en jeu dès que l’on aborde les réactions nucléaires. Convertissons la masse perdue en énergie, en utilisant la formule E = mc². Pour l’atome de Carbone 12, le défaut de masse vaut : Masse des nucléons non liés – masse de l’atome, soit 1,587 x 10-28. C’est le cas pour un seul atome de carbone. Mais dans un gramme de carbone, il y a (6,023 x 1023 ) / 12 atomes. Le défaut de masse atteint dès lors 1,587 x 10-28 x (6,023 x 1023 ) / 12 soit 0,79654175 x 10-5 kg, ou encore pratiquement 8 mg ! . Pour trouver l’énergie qui correspond à cette masse, on multiplie par c², soit 9 x 1016. On obtient 7,16887575 x 1011 Joules ! A titre de comparaison, la combustion d’un gramme de pétrole libère une énergie E = 45 103 Joules sous forme de chaleur. -5- Physique Physique nucléaire 3°degré Applications numériques Calculer l’énergie de liaison par nucléon associée au défaut de masse de l’hélium. masse atomique relative 4He masse du proton masse du neutron vitesse de la lumière nombre d’Avogadro 4,00260 uma 1,007276 uma 1,008665 uma 2,998.108 m.s-1 6,022.1023 mol-1 Il est tout d’abord nécessaire de calculer le défaut de masse, c’est à dire, la masse manquante entre la masse du noyau et la somme des masses des protons et neutrons constitutifs de ce noyau. Masse manquante m = (2mp+ 2mn) - m He = (2x1,007276 + 2x1,008665) - 4,00260 = 0.029282 uma. Cette masse est convertie en kilogramme, qui est l'unité MKSA. (1 uma = 10-3/NA = 1,660 540.10-27) ; m = 0.029282 x 1,660 540.10-27 = 4,8625.10-29 kg Ce défaut de masse est ensuite converti en énergie grâce à la relation d’Einstein. E = mc2 : E = 4.8625-29 x (2,998.108)2 = 4,37.10-12 J Cette énergie est finalement divisée par le nombre de nucléons (protons et neutrons) du noyau E/nucleon = 4,37.10-12 /4 = 1,09.10-12 J/nucleon -6- Physique Physique nucléaire 3°degré Défaut de masse du noyau de lithium 37Li Un noyau de lithium 3Li est constitué de Z = 3 protons et de N = A - Z = 7 - 3 = 4 neutrons. La masse de ce noyau formé est : 7 m ( 3Li ) = 7,01435 u La masse de ses 7 nucléons, séparés, au repos, est : m ( 7 nucléons séparés ) = 3 mp + 4 mn = 3 1,00727 + 4 1,00867 m ( 7 nucléons séparés ) = 7,05647 u On constate que la masse du noyau formé, au repos, est inférieure à la masse des nucléons séparés et au repos. 7 Le défaut de masse du noyau de lithium 3Li est : 7 m = m ( 7 nucléons séparés ) - m ( 3Li ) = 7,05647 - 7,01435 7 m = 0,04212 u = 4,212 10 - 2 uma Cas général : défaut de masse du noyau ZAX Définition : On appelle défaut de masse d'un noyau la différence entre la masse totale des A nucléons séparés (Z protons et N neutrons), au repos et la masse du noyau formé, au repos. Dans le cas général d'un nucléide, le défaut de masse est : m = m ( A nucléons séparés ) - m ( Z X ) = Z mp + (A - Z) mn - m ( Z X ) A -7- A Physique Physique nucléaire 3°degré Energie de liaison du noyau de lithium 37Li Imaginons la transformation suivante : - Dans l'état initial le noyau de lithium 3Li est au repos dans le référentiel terrestre. Son énergie de masse initiale est : 7 m ( 3Li ) c² - Dans l'état final on a les 7 nucléons isolés, au repos dans le référentiel terrestre. Leur énergie de masse finale est : m ( 7 nucléons séparés ) c² 7 - L'énergie de liaison EL du noyau de lithium est l'énergie qu'il faut fournir à ce noyau au repos pour le dissocier en ses 7 nucléons isolés : m ( 3Li ) c² + EL = m ( 7 nucléons isolés, au repos) c² 7 EL = m ( 7 nucléons isolés, au repos) m ( 3Li ) c² EL = m c² Mais, on sait que : m = 4,212 10 - 2 u = 4,212 10 - 2 1,660 10 - 27 = 6,995 10 - 29 kg c = 2,998 10 - 8 m / s Portons ces valeurs dans la relation de base EL = m c² = 6,995 . 10 - 29 ( 2,998 10 8 ) 2 = 6,287 10 - 12 J En physique nucléaire, on emploie souvent le MeV pour unité d'énergie. On sait que 1 MeV = 1,6022 10 - 13 J EL = 6,287 10 - 12 J = 39,3 MeV 7 Cas général : énergie de liaison du noyau ZAX Définition : L'énergie de liaison EL du noyau Z X est l'énergie qu'il faut fournir à ce noyau au repos pour le dissocier en ses A nucléons isolés, également au repos : A EL + m ( Z X ) c² = m ( A nucléons séparés ) c² A EL = m ( A nucléons séparés ) c² - m ( Z X ) c² A EL = m ( A nucléons séparés ) - m ( Z X ) c² A Utilisons la relation m = m ( A nucléons séparés ) - m ( Z X ) A EL = m c² = Z mp + (A - Z) mn c²- m ( Z X ) c² A -8- Physique Physique nucléaire 3°degré Energie de liaison par nucléon du noyau de lithium 37Li Nous venons de voir ci-dessus que l'énergie de liaisons des 7 nucléons du noyau de lithium Li est : 7 3 EL = 6,287 10 - 12 J = 39,3 MeV L'énergie de liaison moyenne par nucléon d'un noyau de lithium 3Li est : EL / A = 39,3 / 7 = 5,61 MeV / nucléon 7 Cas général : énergie de liaison par nucléon du noyau Z X L'énergie de liaison d'un noyau (Z protons, A nucléons) est EL. L'énergie de liaison moyenne par nucléon d'un noyau est EL/ A Stabilité d'un noyau : Un noyau est d'autant plus stable que son énergie moyenne par nucléon est grande. L'énergie de liaison d'un noyau d'oxygène 16 est de 126 MeV, celle du noyau d'uranium 238 est de 1802 MeV. Pour comparer leur stabilité il faut calculer l'énergie de liaison moyenne par nucléon. On trouve : A EL/ A = 126 / 16 = 7,88 MeV par nucléon pour 8O 16 EL/ A = 1802 / 238 = 7,57 MeV par nucléon pour 92U L'oxygène 16 est donc plus stable que l'uranium 238. 238 Energie de liaison par nucléon EL / A. Courbe d'Aston - EL / A = f (A) La courbe d'Aston représente le graphe associé à EL / A = f (A). Les noyaux les plus stables sont au bas du graphe. -9- Physique Physique nucléaire 3°degré Défaut de masse de l’uranium 235 235 Précisons la composition d'un noyau de l'isotope 235 de l'uranium ayant pour symbole 92U 235 Le noyau de 92U contient : A = 235 nucléons, soit : Z = 92 protons N = A -Z = 235 - 92 = 143 neutrons Calculons le défaut de masse de ce noyau, en unité de masse atomique puis en kilogramme. Rappel : On appelle défaut de masse d'un noyau la différence entre la masse totale des A nucléons séparés ( Z protons et N protons), au repos et la masse du noyau formé, au repos. Ici, on écrit : 235 m = ( 92 mp + 143 mn ) - m ( 92U ) m = ( 92 1,007281,00866234,99332 m = 236,90814 - 234,99332 m = 1,91148 uma L'énoncé donne 1 uma = 1,66054 10 - 27 kg m = 1,911482 .( 1,66054 10 - 27) m = 3,17964 10 - 27 kg Energie de liaison de l’uranium 235 Calculons, en joules, l'énergie de liaison de ce noyau. Rappel : L'énergie de liaison EL du noyau Z X est l'énergie qu'il faut fournir à ce noyau au repos pour le dissocier en ses A nucléons isolés, également au repos : EL = m c2 EL = 3,17964 10 - 27 ( 2,9979 10 8)2 EL = 2,85767 10 - 10 J A Energie de liaison par nucléon de l’uranium 235 Calculons l'énergie de liaison par nucléon de ce noyau. On trouve : EL / A = 2,85767 10 - 10 / 235 = 1,21603 x 10-12 J par nucléon Comparaison de la stabilité de l’uranium 235 et du radium 226 Comparons la stabilité du noyau d'Uranium 235 à celle du noyau de radium 226 dont l'énergie de liaison est de 7,66 MeV par nucléon. Le noyau de Radium 226 a une énergie de liaison de 7,66 MeV par nucléon. Le noyau d'Uranium 235 a une énergie de liaison de 7,5897 MeV par nucléon. Le noyau de Radium 226 est plus stable que le noyau d'Uranium 235. - 10 - Physique Physique nucléaire 3°degré Stabilité – Instabilité et Activité Un noyau stable garde indéfiniment la même structure. C'est le cas, par exemple, d'un des isotopes du carbone, l'isotope 6C . Un noyau radioactif est instable. A une date inconnue, il se désintègre spontanément en un autre noyau, en émettant des particules ou . C'est le cas, 12 par exemple, d'un autre isotope du carbone, l'isotope 6C qui est radioactif. Il émet une 14 particule C 14 6 - et se transforme en un noyau d'azote 7 N suivant la réaction 14 N + 10e 14 7 Le noyau qui se désintègre, 6C , est le noyau père. Le noyau obtenu, 7 N , est le noyau fils. On peut situer les noyaux stables et instables sur un diagramme (N, Z) . 14 14 Diagramme (N, Z). Domaines de stabilité et d'instabilité des noyaux - 11 - Physique Physique nucléaire 3°degré Sur ce diagramme, les noyaux stables sont situés dans une zone nommée vallée de stabilité. Pour Z < 20, les noyaux stables sont situés au voisinage de la droite Z = N. Pour Z > 20, les noyaux stables sont situés au-dessus de cette droite Z = N. Ils contiennent plus de neutrons que de protons. La vallée de stabilité ne se poursuit pas au-delà du bismuth 83Bi puisque au-delà de ce noyau on ne trouve aucun nucléide stable. 207 Les noyaux sont instables quand ils contiennent trop de protons ou trop de neutrons. Ces noyaux radioactifs, qui ne sont pas situés dans la zone de stabilité, tendent à retrouver une configuration stable en expulsant une particule, à une date aléatoire. Plusieurs lois gouvernent ces réactions nucléaires spontanées. Nous en retiendrons deux : - Loi de conservation de la charge électrique : la somme des nombres de charges de la particule et du noyau produits est égale au nombre de charge Z du noyau père. - Loi de conservation du nombre de nucléons : la somme des nombres de nucléons de la particule et du noyau produits est égale au nombre de nucléons A du noyau père. Différents types de radioactivité Radioactivité - Si le noyau père Z X possède trop de neutrons par rapport au nombre de protons, il se A transmute en transformant un neutron en proton, avec émission d'un électron . Le noyau fils Z 1Y se rapproche de la vallée de stabilité. L'équation de cette réaction nucléaire spontanée s'écrit : A X 1 10n Y A Z e 0 A Z 1 + 1 . Dans le noyau, un neutron est devenu proton : 1 1 p + 10e Exemple : C 14 6 N + 10e . On vérifie la conservation du nombre de charge Z et du nombre de 14 7 nucléons A. - 12 - Physique Physique nucléaire 3°degré Radioactivité ß+ Si le noyau père Z X possède trop de protons par rapport au nombre de neutrons, il se A transmute en transformant un proton en neutron, avec émission d'un positon 1e . Le noyau 0 fils Z 1Y se rapproche de la vallée de stabilité. A X 1 1p A Z Y + 10e . Dans le noyau, un proton est devenu neutron : 1 0 10n + 1e A Z 1 Exemple : P Si + 10e . On vérifie la conservation du nombre de charge Z et du nombre de 30 15 30 14 nucléons A. Radioactivité . Ce type de désintégration concerne les noyaux qui sont "trop" lourds (A > 180 nucléons), vers la fin du tableau de Mendeleïev. Le noyau père Z X émet un noyau d’hélium 2 He . Le A 4 A4 noyau fils Z 2Y se rapproche de la vallée de stabilité. A Z X A4 Z 2 Y + 2 He 4 Exemple : U 238 92 Th + 24He . On vérifie la conservation du nombre de charge Z et du 234 90 nombre de nucléons A. Désexcitation Le noyau fils engendré par radioactivité - , ß+ se trouve le plus souvent dans un état excité, noté ZY * . Il se désexcite en donnant un noyau stable ZY et un rayon A A Y* A Z Y + A Z Exemple : La production du noyau fils excité 7 N * est suivie de l'émission du rayonnement gamma, avec désexcitation du noyau fils : 14 C 14N * 7 14 6 N* + 10e 14N + 7 14 7 Remarque : Le nombre de noyaux (stables ou radioactifs) naturellement présents sur Terre est voisin de 350. Ce nombre est porté à plus de 3000 en comptant les noyaux artificiels préparés au laboratoire. - 13 - Physique Physique nucléaire 3°degré En 1896, Becquerel (1850 - 1908) constate que certains sels d'uranium émettent des rayonnements pouvant traverser la matière et pouvant impressionner des plaques photos placées dans l'obscurité complète. Progressivement, on a pu déterminer la nature et l’origine de ces rayonnements. A remarquer que d’emblée se pose la question de l’équivalence « rayonnement-particules », qui a longtemps divisé le mode scientifique. En effet, la lumière est-elle de nature particulaire (photons) ou radiative (rayonnement électromagnétique). Les deux, sans doute … Ce point sera détaillé dans la section du cours consacrée à la physique quantique. Les quatre principaux types de rayonnement radioactif Les particules alpha ( ) Ce sont des noyaux d'hélium, notés 2 He . Ces particules, formées de deux protons et de deux neutrons, sont déviées légèrement par un champ magnétique ou électrique, car leur masse est importante. Leur pouvoir de pénétration est faible. Quelques centimètres d'air ou une mince feuille de papier d'aluminium suffisent à les arrêter. 4 Les particules bêta - ( - ) Ce sont des électrons. Leur faible masse fait en sorte qu'elles sont facilement déviées par un champ électrique ou magnétique, dans le sens opposé de la déviation des particules alpha. Leur grande vitesse leur procure un pouvoir de pénétration supérieur à celui des particules alpha. Il faut plusieurs mètres d'air ou quelques centimètres d'aluminium pour les arrêter - 14 - Physique Physique nucléaire 3°degré Les particules bêta + (ß+) Ce sont des positons ; leur émission est exceptionnelle. Elle ne concerne que quelques noyaux artificiels. Ces particules ß+ sont encore appelées anti-électrons (antiparticules des électrons). Ces positons ont la même masse que les électrons mais une charge électrique opposée. Leur pouvoir de pénétration propre est très faible car ils s'annihilent lorsqu'ils rencontrent un électron en donnant naissance à un rayonnement . Les rayons gamma Ce sont des rayonnements électromagnétiques de grande énergie et de faible longueur d'onde. Ces rayons gamma, contrairement aux particules alpha et bêta, ne changent pas la composition du noyau qui les émet. Leur pouvoir de pénétration est très élevé : ils peuvent s'enfoncer dans plus de trente centimètres de plomb. Ces rayons sont très dangereux pour l'homme. Tableau récapitulatif : On rappelle que la charge élémentaire est e = 1,600217733 10 - 19 C (1). En physique nucléaire, on utilise souvent l'unité de masse atomique 1 u = 1,6605402 10 - 27 kg (2). Symbole en physique nucléaire Masse approchée (u) Charge (e) He 4,00150 u +2e e 0,000549 u -e 0 1 e 0,000549 u +e 0 0 Emission Nature Particule noyau d'hélium 2 He ++ 4 2 Particule - électron 1e 0 1 Particule ß+ positon 1e Rayon gamma rayonnement électromagnétique 4 0 0 Remarque : A coté de ces quatre types de rayonnements au programme il existe d'autres transformations spontanées d'un noyau. Citons la capture électronique ou l'émission d'un ou deux protons (émission récemment mises en évidence avec certains noyaux artificiels). - 15 - Physique Physique nucléaire 3°degré Quelques propriétés des rayonnements radioactifs - Les rayonnements radioactifs peuvent arracher des électrons à la couche périphérique des édifices atomiques de la matière qu'ils traversent. Cela peut provoquer l'ionisation des molécules du milieu cellulaire ou la rupture des liaisons moléculaires. Tous les constituants de la cellule peuvent être touchés mais c'est une action sur la molécule d'ADN qui risque d'avoir le plus de conséquences. - Les êtres humains sont sans arrêt soumis à des rayonnements d'origine naturelle ou d'origine artificielle, c'est-à-dire dus aux activités de l'homme. Il faut s'efforcer de diminuer l'exposition aux rayonnements, mais il est impossible de la réduire à zéro. - La radioactivité est invisible, inodore, inaudible. Elle est indécelable par nos sens. L'homme a du mettre au point divers dispositifs pour détecter cette radioactivité. Le plus ancien de ces dispositifs, utilisé par Becquerel, est une plaque photographique. Parmi les autres dispositifs, on peut citer les électroscopes, les chambres d'ionisation, le compteur de Geiger-Muller, la chambre à brouillard, les chambres à bulles, les chambres électroniques, les scintillateurs, les semi-conducteurs, etc. - 16 - Physique Physique nucléaire 3°degré La décroissance radioactive Introduction L'évolution d'une population de noyaux radioactifs suit un modèle de "mort aléatoire sans vieillissement" correspondant à une décroissance exponentielle, ou cinétique de premier ordre L'expérience montre que le nombre N de noyaux non désintégrés à l'instant t est lié au nombre de noyaux No initialement présents à l'instant t0 par une relation exponentielle : N = No e - . t = No e - t / est la constante radioactive (en seconde). Elle caractérise un radio-nucléide. = 1 / est la constante de temps (en s - 1) La loi de décroissance des noyaux radioactifs a été établie expérimentalement en 1902 par Rutherford et Soddy. Remarque : La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire. On ne peut pas, à l'échelle "microscopique", dire quand un noyau va se désintégrer. Néanmoins, à l'échelle macroscopique, on a pu établir cette loi d'évolution. N n'est pas connu exactement mais l'incertitude sur sa valeur est tout à fait raisonnable. Activité d'un échantillon L'activité moyenne d'un échantillon radioactif est égale au nombre moyen de désintégrations qu'il subit par seconde : A = - dN / dt (10) (N diminue, dN / dt est négatif, A est positif) Par dérivation de N = No e -t, on obtient : A = - dN / dt = No . e- t = N A l'instant t = 0, l'activité initiale de l'échantillon est Ao = No. Reportons cette valeur No = Ao dans l'expression qui précède : A = No.e-t : A = - dN / dt = Ao.e -t avec Ao = No A se mesure en becquerel (Bq). 1 Bq correspond à une désintégration par seconde. - 17 - Physique Physique nucléaire 3°degré Demi-vie t 1/2 Le temps de demi-vie t 1/2 d'un nucléide radioactif est la durée au bout de laquelle le nombre de noyaux radioactifs est divisé par deux. N (t 1/2) = No / 2 L’équation N = No e . t devient : No / 2 = No e . t 1/ 2 soit : e-t 1/ 2 = 1 / 2 ou encore en prenant le logarithme népérien des deux cotés : ln ( e-t 1/ 2 ) = ln ( 1 / 2 ) - t 1/ 2 = 0 - ln 2 t 1/ 2 = ( ln 2 ) / t 1/ 2 = ( ln 2 ) / = 0,693 / La demi-vie d'un radio-nucléide est une caractéristique de celui-ci et sa valeur est extrêmement variable : -6 - Pour le polonium 212, la demi-vie est t 1/ 2 = 3 seconde 10 - Pour le thorium 232, la demi-vie est t 1/ 2 = 1,4 10 ans Remarque 1 : = 1 / , on peut aussi écrire : t 1/ 2 = ln(2) = 0,693 Remarque 2 : L'activité A = - dN / dt = Ao.e t = N s'écrit à la date t 1/ 2 : A (t 1/ 2) = N (t 1/2 A (t 1/ 2) = Ao / 2 Au bout d'un temps égal à la demi-vie, l'activité d'un radio-nucléide est divisée par deux. Application : datation au carbone-14 Le carbone et les êtres vivants La matière organique est formée notamment de carbone, incorporé directement (organismes autotrophes) ou indirectement (organismes hétérotrophes) à partir du CO2 atmosphérique (dans les océans, les carbonates dissous proviennent de l'atmosphère). Le CO2 atmosphérique contient principalement l’isotope stable 12C, mais également les isotopes 13C (stable) et 14C (instable) en très petites quantités : 1 atome 13C pour 100 atomes de 12C et 1 atome 14C pour 1012 atomes de 12C environ. Le carbone 14 décroît par radioactivité, avec une demi-vie d'environ 6000 ans. Il est produit dans la haute atmosphère par bombardement cosmique sur l'azote N2. Dans l'atmosphère, la décroissance du 14CO2 équilibre cette production, et le rapport 14C/12C du CO2 est constant. Tant qu'un organisme est vivant, il échange du carbone avec l'atmosphère et le rapport isotopique 14C/12C de sa matière organique est constant. Dès que cet organisme meurt, il n'échange plus avec l'atmosphère et ce rapport 14C/12C commence à décroître. - 18 - Physique Physique nucléaire 3°degré La décroissance de la concentration en 14C et principe de la datation Lorsque les mesures sont faites par spectrométrie (voir ci-dessous), elles fournissent le rapport isotopique14C/12C d'un échantillon. Comme le nombre d'atomes 12C reste constant pour un échantillon donné(*), on peut diviser N par le nombre d'atomes de 12C dans l'équation (1) qui devient : R = R0 . e(-λ t) où R0 est le rapport isotopique initial (équilibre avec l'atmosphère) et R le rapport isotopique au temps t. (*) Le nombre d’atomes de 12C reste constant parce que le 14C ne se désintègre pas en 12C, mais en azote 14N. Cette loi exponentielle est caractérisée par un temps de demi-vie appelé période T, au bout duquel la moitié de la quantité initiale de 14C a disparu. Au temps T, on a donc : R = R0/2 donc = R/R0 = ½, ce qui entraîne que 1/2 = e(-λ T) En prenant le logarithme : ln(1/2) = - λT ou encore, étant donné que ln(1/2) = -ln(2), T = ln(2) / λ Pour le 14C, la période T toujours utilisée est égale à 5730 ans. 1/ λ, ou τ, correspond alors à 8267 ans. ln(2) vaut en outre 0,6931. Pour calculer l'âge, on utilise alors cette constante et l'équation R = R0 . e(-λt) devient : R / R0= e(-λt) En prenant le logarithme népérien, ln(R / R0) = -λt ou encore ln(R0/R) = λt On extrait l'âge t comme suit : t = ln(R0/R) . 1 / λ. En remplaçant 1/λ par sa valeur, on a finalement la formule t = 8267 . ln(R0/R) Quand R0/R vaut 2, ln(R0/R) vaut 0,6931, et t vaut alors 5730 ans, autrement dit la demi-vie du 14C Principe de mesure du rapport isotopique Le rapport isotopique R = 14C/12C peut être mesuré de deux façons différentes. Par comptage des particules 'Bêta' issues de la désintégration du 14C On mesure le rayonnement Bêta issu d'un échantillon de masse connue (nombre d'atomes 12C connu) pendant une longue période (plusieurs mois). Cette 'radioactivité' est proportionnelle au nombre d'atomes de 14C, que l'on peut ainsi déterminer. Par mesure du rapport isotopique par spectrométrie de masse L'échantillon est réduit en graphite ou en CO2 gazeux, analysé dans un spectromètre de masse. Cette technique permet la mesure d'un très petit nombre d'atomes de carbone. Elle présente donc un avantage sur le comptage Bêta lorsqu'on ne dispose que de très faibles quantités d'échantillon, ou que l'échantillon est vieux et contient peu de 14C. La limite de détection des spectromètres fixe ainsi la limite de la technique 14C aux derniers 40 000 ans environ. - 19 - Physique Physique nucléaire 3°degré Réactions nucléaires artificielles Tandis que les réactions nucléaires naturelles sont causées par la décomposition de noyaux atomiques instables (radioactifs), les réactions nucléaires artificielles peuvent impliquer des noyaux atomiques stables. Bombardés avec une particule (neutron, proton, particule ou d'autres noyaux atomiques) d'énergie adéquate, un noyau atomique stable peut se transformer pour donner un noyau atomique d'un autre élément. Parfois, les noyaux 2 He provenant d'une source radioactive (émetteur ) ont la bonne énergie pour provoquer la transformation d'un noyau atomique stable qui est bombardé par ces particules . C'est ainsi que les réactions nucléaires artificielles ont été découvertes par Ernest Rutherford en 1913, lorsqu'il a constaté que l'atmosphère d'azote, sous laquelle il avait stocké une substance radioactive, se convertissait au fur et à mesure en oxygène et en hydrogène. Aujourd'hui, le bombardement du béryllium avec des particules représente la réaction nucléaire la plus importante pour la génération des neutrons. 4 N + 24He 17 8 Be + 24He 12 6 14 7 9 4 O + 11H C + 01n Fission de noyaux lourds Définition La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd se scinde généralement en deux noyaux moyens, sous l'impact d'un neutron. La réaction se fait avec perte de masse et dégagement d'énergie. Exemple Un noyau d'uranium 235 peut subir la fission. On dit qu'il est fissile. Une des réactions possibles s'écrit : U + 01n 235 92 1 Kr + 142 56Ba + ... 0n 90 36 Il est aisé en écrivant la loi de conservation du nombre de nucléons de déterminer le nombre y de neutrons rapides formés : 235 + 1 = 90 + 142 + y y=4 L'équation de la réaction de fission (23) s'écrit donc : U + 01n 235 92 1 Kr + 142 56Ba + 2 0n 90 36 Une autre réaction possible est : U + 01n 235 92 90Sr 1 Xe + 38 + 3 0n 143 54 Les neutrons produits sont rapides. Après ralentissement, ils sont susceptibles de provoquer des réactions de fission en chaîne car le nombre de neutrons produits est, ici, plus grand que le nombre de neutrons consommés. - 20 - Physique Physique nucléaire 3°degré Applications des réactions de fission en chaîne Armes nucléaires La fission nucléaire non contrôlée est utilisée dans les armes redoutables que représentent les bombes A. Production d ‘énergie Dans les réacteurs nucléaires, la fission est contrôlée et le dégagement d'énergie est progressif. En 2004, la Belgique a produit 10 10 9 kWh d’électricité Plus de trois quarts sont d’origine nucléaire Masses de quelques particules Masses de quelques noyaux Divers proton : mp = 1,6726 10 - 27 kg neutron : mn = 1,6749 10 - 27 kg électron : me = 9,1094 10 - 31 kg uranium 235 : 234,9935 u cérium 146 : 145,8782 u sélénium 85 : 84,9033 u 1 u = 1,6606 10 - 27 kg c = 2,9979 10 8 m / s NA = 6,022 10 23 mol - 1 e = 1,602 10 - 19 C La Belgique compte aujourd’hui 7 réacteurs nucléaires à eau sous pression (PWR). La production d’énergie dans ces réacteurs repose sur la fission de l’uranium 235. 235 Lorsqu’un neutron heurte un noyau d’uranium 92U , une des fissions possibles conduit à la formation d’un noyau de cérium 58Ce , d’un noyau de sélénium 34Se , ainsi qu’à 5 146 85 neutrons 0n . la variation de masse qui accompagne la fission d’un noyau d’uranium 235 est : m = masse finale - masse initiale m = (145,8782 + 84,9033 + 5 1,0086) - (234,9935 + 1,0086) m = 235,8195 – 236,0021 = - 0,1826 u La masse du système diminue (m est négatif). Ce système fournit donc de l'énergie au milieu extérieur Calcul de l'énergie E libérée par cette réaction. 1 235 On considère que les énergies cinétiques initiales du neutron 0n et de l'uranium 92U sont négligeables devant leur énergie de masse. L'énergie que la réaction dégage s'écrit, en valeur absolue : E = m c² Calculons m en kg (l'énoncé rappelle que 1 uma = 1,6606 10 - 27 kg) : m = 0,1826 uma = 0,1826 1,6606 10 - 27 = 3,032 10 - 28 kg Portons dans la relation : E = m c² = 3,032 10 - 28 (2,9979 10 8 ) 2 E = 2,724981 10 - 11 J 1 - 21 - Physique Physique nucléaire 3°degré Un kilogramme d’Uranium libère donc : ((2,724981 x 6,022 x 1023 )/ 235) x 1000 = 69 829 087 582 000 Joules soit approximativement 70 x 1012 Joules La combustion d’un kilogramme de pétrole libère une énergie E = 45 10 6 J sous forme de chaleur. Le rendement de la transformation d’énergie thermique en énergie électrique est d’environ 33 %. 1 kg de pétrole 45 10 6 J (calorifique) 0,342 45 10 6 = 15,39 10 6 J (électrique) Le principal problème d’exploitation est que les déchets sont radioactifs et posent de sérieux problèmes de stockage. La fusion des noyaux légers Définition La fusion est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle deux noyaux légers s'associent pour former un noyau plus lourd. La réaction se fait avec perte de masse et dégagement d'énergie. Exemple La réaction de fusion entre le deutérium et le tritium s'écrit : H + 13H 2 1 ... + 0n 1 ou encore : H + 13H + 0n Il est aisé en écrivant les lois de conservation du nombre de protons et du nombre de nucléons 2 1 X A Z 1 de déterminer Z et A du nucléide formé : 1 + 1 = Z + 0 qui donne Z = 2. Le noyau formé est donc un noyau d'Hélium He, caractérisé par Z = 2. 2 + 3 = A + 1 qui donne A = 4 L'équation de la réaction de fusion s'écrit donc : H + 12H 2 1 He + 01n 4 2 - 22 - Physique Physique nucléaire 3°degré Applications des réactions de fusion Des réactions de fusion non contrôlées ont lieu dans les étoiles (nucléosynthèse) Armes nucléaires Les bombes H, encore plus destructrices que les bombes A font intervenir la fusion nucléaire. Cette réaction nucléaire est à l'origine de l'énergie stellaire : l'hydrogène, qui est l'élément le plus abondant de l'univers (plus de 90% en masse de la matière cosmique), se transforme en hélium (plus de 5% de la masse de l'univers). Par la suite, des noyaux d'hélium peuvent fusionner dans les régions plus chaudes des astres pour donner naissance aux noyaux atomiques encore plus lourds. Ainsi, les astres sont des réacteurs nucléaires immenses, dans lesquels les éléments chimiques sont fabriqués par fusion nucléaire à partir des éléments parents hydrogène et hélium. L'énergie produite par ces fusions nucléaires est énorme ; la température atteint plusieurs millions de degrés Celsius. La réalisation de la fusion nucléaire sur terre pourrait résoudre les problèmes d'approvisionnement d'énergie. La difficulté rencontrée lors des fusions nucléaires réside dans les fortes répulsions électrostatiques des particules à fusionner. Pour surmonter cette barrière énergétique et pour provoquer des collisions productives, il faut assurer une énergie cinétique aux particules à fusionner, ce qui nécessite des températures de plusieurs millions de degrés. Production d’énergie Les chercheurs essaient de contrôler les réactions de fusion afin de réaliser des réacteurs produisant de l'énergie électrique. Comme la température doit atteindre des millions de degrés le problème n'est pas facile à résoudre. - 23 - Physique Physique nucléaire 3°degré Applications médicales Radiothérapie des cancers Bien que la radioactivité puisse induire le développement de cancers dans un organisme vivant, les radiations nucléaires sont aussi utilisées avec succès dans le traitement de certains cancers. La radiothérapie des cancers repose sur la plus grande sensibilité des cellules cancéreuses par rapport aux cellules saines vis-à-vis des radiations nucléaires. La radiothérapie utilise des rayons émis par un émetteur . La source naturelle, le nucléide 88Ra , a été remplacée 226 par le radio-isotope artificiel 27Co , synthétisé dans des réacteurs nucléaires, qui est maintenant la radio-source la plus utilisée 60 Mis à part l'exposition de la partie malade du corps humain à une source externe, d'autres stratégies sont également poursuivies telles que l'insertion de la source radioactive directement dans le tissu cancéreux par des anticorps monoclonaux contenant le radio-isotope Il est important de trouver la dose qui est suffisante pour détruire les cellules cancéreuses mais qui n'attaque pas les cellules saines voisines. Intensité et temps d'exposition sont donc des grandeurs critiques dans ce type de thérapie. - 24 - Physique Physique nucléaire 3°degré Imagerie médicale Le TC-99 L'application la plus spectaculaire des radio-isotopes en médecine nucléaire se trouve dans le domaine de l'imagerie médicale à des fins de diagnostic. Le radio-isotope le plus utilisé en imagerie médicale est le technécium-99, employé sous la forme de technate [ 43Tc O4]-. L'isotope 43Tc * est un émetteur γ qui se relaxe avec une période de six heures. Cette courte demi-vie évite aussi un temps d'exposition trop long des tissus humains aux radiations nucléaires durant l'acquisition des images. 99 99 La radiation émise est enregistrée puis convertie en image par un traitement informatique. Ceci permet d'étudier le fonctionnement des organes internes et de détecter des tumeurs. Le radio-isotope fluor-18 (t1/2 = 110 minutes), qui est un émetteur de positrons, est utilisé pour la tomographie par émission de positrons. Cette technique permet d'obtenir des images très détaillées des tissus vivants. Le radio-isotope fluor-18 est introduit dans les organes à étudier par des molécules, comme par exemple le fluoro-œstrogène, marqué en fluor-18. Les positons émis sont instantanément annihilés par les électrons de la matière environnante et ce sont les rayons résultants qui sont détectés. F 18 9 e + 10e 0 1 O + 10e 18 8 La Tomographie par Emission de Positons (TEP) Principe Le PET-Scan constitue une technique d'imagerie fonctionnelle qui s'intéresse plus au fonctionnement d'un organe qu'à sa structure. Tout comme la scintigraphie, le PET-Scan repose sur l'injection d'un traceur, le plus souvent du 18 Fluoro-Deoxy Glucose ou 18FDG, dont la distribution dans l'organisme sera détectée grâce à un système de détection spécifique. Lors de sa désintégration radioactive, le 18F émet un positon β+ (ou encore positron en anglais) qui est l'anti-particule de l'électron. Ce positon a une durée de vie très brève, en raison des nombreux électrons présents dans la matière. Après un parcours très bref dans la matière (1 à 3 millimètres) il rencontre rapidement un électron, ce qui provoque une réaction - 25 - Physique Physique nucléaire 3°degré d’annihilation. Cette réaction matière-antimatière donne naissance à deux photons. Ces deux photons sont émis en direction diamétralement opposée (180°). Le détecteur PET-Scan détecte les deux photons émis lors de son annihilation. Le principe du PET-Scan repose sur la détection simultanée (détection en coïncidence) de ces deux photons. Les détecteurs du PET-Scan sont disposés en couronne, réalisant un véritable "anneau de détecteurs" autour du patient. Les photons émis à 180° l'un de l'autre seront donc détectés par des récepteurs opposés et l'endroit précis de l'annihilation se trouve sur une ligne rejoignant ces récepteurs. Grâce au recoupement de ces "lignes" dans différentes directions, il est possible de déterminer l’endroit exact où s’est produite l'annihilation, donc la désintégration du 18F, et donc l'absorption du métabolite traceur au 18F. Application Le 18FDG (2-18F- fluoro-2-déoxy-D-glucose) est la molécule la plus souvent utilisée en clinique. Il s'agit d'une molécule de glucose dont l'un des groupements hydroxyl (OH), en position 2, a été remplacé par un atome de fluor radioactif (18F). Les cellules cancéreuses, qui ont un métabolisme plus actif que les cellules normales, absorbent beaucoup plus de glucose que les cellules normales. Le 18-FDG n'est pas métabolisé ensuite comme le glucose, il reste plus longtemps dans la cellule (cancéreuse ou non). Plus les cellules cancéreuses seront agressives et se multiplieront, plus elles capteront du 18 F-Glucose ou FDG. L’examen est basé sur le passage trans-membranaire du 18-FDG, du fait d’un fonctionnement exagéré de la glycolyse au sein de la cellule tumorale. Une onco-activation du gène du transporteur GLUT-1 induit une hyper-production d’ARNm codant pour ce transporteur. Le 18-FDG entre en compétition avec le 2-déoxyglucose vis-à-vis de ce transporteur transmembranaire en excès, et pénètre donc dans la cellule tumorale. Métabolisé en 18-FDG-6Phosphate par l’hexokinase, il ne peut ensuite être transformé par les étapes suivantes de la glycolyse. Il s’accumule alors dans la cellule maligne sans y subir de dégradation ultérieure, le 18F se désintégrant ensuite en émettant en direction opposée deux photons de 511 kev, captés par la caméra et à la base de l’image Pet Cette augmentation du métabolisme du glucose peut aussi s'observer au cours de processus infectieux ou inflammatoires, ou sur des cellules très actives comme les cellules cérébrales ou musculaires. A l'inverse, certaines tumeurs malignes peuvent avoir une faible consommation de glucose, notamment les tumeurs nécrotiques. La fiabilité du PET-Scan n'est donc pas absolue. - 26 - Physique Physique nucléaire 3°degré Unités de mesure Point de vue de la source L’activité d’une source radioactive se mesure par le nombre de désintégrations par intervalle de temps. On utilise comme point de départ le Becquerel, qui équivaut à une désintégration par seconde. Cette unité est difficilement utilisable dans la pratique, car très petite. On préfèrera utiliser comme référence l’activité d’une certaine quantité d’un élément radioactif : on utilise l’activité d’une masse de 1 gramme de Radium. Un gramme de Radium subit 3,7 x 1010 désintégrations en une seconde. On a donné le nom de Curie à cette unité. Un Curie équivaut donc à 3,7 x 1010 Becquerels. Point de vue de l’exposition à la source Dose absorbée La dose absorbée par unité de masse dans n’importe quelle matière s’exprime en Joules/kg. Cette unité porte le nom de Gray (Gy). Mais par habitude, on utilise encore couramment le Rad, qui équivaut à 0,01 Gray, ou 0,01 Joule/kg. 1 Gray vaut donc 100 Rad. Dose absorbée par les tissus vivants. Les effets biologiques des radiations sont fonction de la manière dont l’énergie se disperse dans les tissus, autant que de la quantité d’énergie. C’est pourquoi on apporte à la notion de dose absorbée une correction qui dépendra du type de rayonnement. Cette dose absorbée corrigée en fonction du type de rayonnement s’exprime en Sievert (Sv), ou en rem. Le Sievert n’est autre que le Gray multiplié par un facteur d’efficacité biologique relative (EBR). Le rem quant-à lui, est le rad multiplié par ce même facteur d’efficacité biologique. Ce facteur d’efficacité biologique est de 1 pour les rayons X, et , mais 10 pour les rayons . Cela s’explique par la masse relativement importante des particules , et donc les dégâts importants que ces particules provoquent lors de leur passage dans les tissus. Exposition Rayons , , et X sont dits « ionisants », parce qu’ils modifient la structure électronique des atomes de la matière traversée. Il en va de même pour l’air, qui est ionisé par ces rayons. Cette caractéristique est utilisée pour définir une unité d’exposition, le Roentgen, qui correspond à une ionisation de l’air de 2,58 x 10-4 Coulomb/kg. Pour rappel, 1 Coulomb correspond à 6,24 x 1018 électrons - 27 - Physique Physique nucléaire 3°degré Introduction à la radioprotection Types de danger Les sources radioactives exposent à deux types de dangers bien distincts selon la position de la source par rapport à l’organisme : - Irradiation externe : la source est située à l’extérieur de l’organisme - Irradiation interne : la source est située à l’intérieur de l’organisme Irradiation externe Dans ce cas, il s ‘agit principalement de rayonnements et , car les particules sont vite arrêtées, même par une mince lame d’air. Les rayons parcourent environ 4 mètres par électron volt dans l’air, et les rayons ne sont pour ainsi dire pas atténués. Seul l’effet de dispersion diminue leur nocivité. Moyens de protection La protection contre l’irradiation externe peut se faire de trois manières différentes : - Limitation du temps d’exposition Distance par rapport à la source Interposition de blindage Temps d’exposition La limitation du temps d’exposition aux radiations doit surtout être suivie en milieu hospitalier, aussi bien pour les patients qui subissent des examens radiologiques de type RX que pour les techniciens. Protection par la distance L’atténuation de la nocivité des rayons est due à l’écran d’air d’une part, mais aussi à la distribution spatiale du rayonnement. Le débit de dose varie en fonction de l’inverse du carré de la distance par rapport à la source radioactive. Interposition de blindages L’épaisseur du blindage nécessaire pour atténuer un rayonnement donné est fonction de la densité du matériau utilisé. Plus le matériau est dense, plus il atténue le rayonnement. - 28 - Physique Physique nucléaire 3°degré L’influence du type de rayonnement Les trois principaux types de radiations nucléaires, , et , pénètrent dans la matière à des degrés différents. En fonction du pouvoir de pénétration, il faut se protéger contre les radiations nucléaires par un blindage de nature et d'épaisseur différente. Rayonnement Pouvoir de pénétration Protection nécessaire 1 3 mm de papier 100 3 mm d'aluminium 10000 3 m de béton Le rayonnement est le moins pénétrant, car les particules (ions He2+) sont assez massives et captent des électrons à la surface de la matière pour former des atomes d'hélium. Bien qu'elles ne pénètrent pas très profondément dans un tissu vivant, elles sont très dangereuses, car l'ionisation du tissu humain peut provoquer des troubles graves et des cancers. Ceci est d'autant plus dangereux si les particules sont inhalées ou ingérées. D'un autre côté, une protection en papier est suffisante pour blinder les rayons à cause de leur faible pouvoir de pénétration. Cependant, il ne faut pas sous-estimer la nature offensive des rayons qui, bien que moins pénétrants, représentent un rayonnement très ionisant. Le rayonnement est plus pénétrant, car les électrons sont des particules plus petites que les ions d'hélium. Ils peuvent pénétrer jusqu'à environ un centimètre de profondeur dans un tissu vivant avant d'être arrêtés. Ils peuvent être capturés par les bio-molécules qui sont en conséquence ionisées. Ces rayons sont relativement faciles à arrêter, l’épaisseur nécessaire pour arrêter totalement ce type de rayonnement dépend aussi de l’énergie des électrons émis. En général, quelques mm de blindage métallique suffisent. Le rayonnement est le plus pénétrant de tous les rayonnements nucléaires, car il s'agit de photons de haute énergie, sans charge ni masse qui peuvent traverser la plupart des matériaux. En traversant des tissus vivants comme le corps humain, ils peuvent provoquer des dommages en ionisant des molécules situées sur leur chemin, ce qui peut induire un disfonctionnement de l'ADN et provoquer l'apparition de cancers. Ces rayons sont difficiles à arrêter, et ne sont jamais complètement stoppés par les blindages. L’atténuation du faisceau suit une loi exponentielle de type I = I0 e-x, Avec I0 l’intensité du faisceau incident, I l’intensité du faisceau à la sortie du blindage, un coefficient d’atténuation, x l’épaisseur du blindage On voit que pour des épaisseurs très grandes, I tend seulement vers 0. On ne peut donc donner d’épaisseur qui va complètement arrêter le rayonnement, à l’instar de ce qui se passe pour la décroissance radioactive, pour laquelle il n’y a pas de temps au bout duquel l’activité de la source radioactive est devenue nulle. - 29 - Physique Physique nucléaire 3°degré On doit donc caractériser le pouvoir « d’arrêt » d’un matériau donné par son épaisseur-demi, c’est à dire son épaisseur telle que l’intensité du faisceau sortant vaut la moitié de l’intensité du faisceau incident. On utilise aussi l’épaisseur-dixième, soit l’épaisseur telle que l’intensité du faisceau à la sortie ne vaut plus que 10 % de son intensité à l’entrée dans le matériau. Il est donc théoriquement impossible d’arrêter totalement les rayons X et Epaisseurs-dixièmes de quelques matériaux, rayons de 1 MeV Eau Béton léger Béton lourd Plomb 31 cm 17 cm 10 cm 3 cm L’irradiation interne Dans ce cas, tous les types de rayonnement sont susceptibles de provoquer des dégâts. L’irradiation interne est provoquée par ingestion ou inhalation de substances radioactives. Nous avons vu que beaucoup d’éléments ont des isotopes radioactifs, donc également les éléments nécessaires au métabolisme. C’est sur ce principe que sont basées les applications médicales tant thérapeutiques que diagnostiques des radio-éléments. Les risques causés par une irradiation internes sont plus délicats à cerner et à traiter. Il y a contact permanent entre la substance radioactive et les cellules de l’organisme. L’irradiation diminue dans le temps, à cause de l’effet combiné de la décroissance radioactive de l’élément et de son élimination biologique. On devine donc que des éléments radioactifs à longue demi-vie, incorporés à des substances qui s’éliminent difficilement, augmenteront d’autant les risques. C’est le cas de l’iode, qui se fixe au niveau de la thyroïde, par exemple. On évalue l’élimination de la radioactivité par la demi-vie effective Teff Teff se calcule comme suit : 1/Teff = 1/T1/2 + 1/Tbio - 30 - Physique Physique nucléaire 3°degré Caractéristiques biologiques de quelques isotopes radioactifs Isotope Demi-vie Rayonnement H-3 C-14 Na-22 P-32 S-35 K-42 Ca-45 Ca-47 Cr-51 Mn-54 Co-57 Co-60 Fe-59 Tc-99 I-125 I-131 Cs-131 Cs-137 12,3 a 5730 a 2,6 a 14 j 88 j 12 h 165 j 4,5 j 27,8 j 303j 270 j 5263 a 46 j 6h 60 j 8j 30 m 30 a + + ++ ++ + +++ + ++ + + + + + + + + ++ ++ + ++ + ++ ++ - 31 - Concentrations maximum admissibles Corps eau air (Cu) (Cu/ml) (Cu)/ml Organes critiques 1000 300 10 6 90 10 30 5 800 20 200 10 20 200 3 x 10-2 8 x 10-3 3 x 10-4 2 x 10-4 6 x 10-4 2 x 10-4 9 x 10-5 3 x 10-4 2 x 10-2 10-3 4 x 10-3 3 x 10-4 5 x 10-4 3 x 10-2 2 x 10-6 10-6 3 x 10-9 3 x 10-8 9 x 10-8 4 x 10-8 10-8 6 x 10-8 8 x 10-7 10-8 6 x 10-8 3 x 10-9 2 x 10-8 5 x 10-6 tissus graisse 0,7 700 30 10-5 2 x 10-2 2 x 10-4 2 x 10-9 10-6 5 x 10-9 os peau muscles os os reins Reins-foie foie foie sang reins Thyroïde Thyroïde muscles muscles Physique Physique nucléaire 3°degré Radioactivité de l’environnement La radioactivité de l’environnement est due à des sources naturelles, et depuis la maîtrise de l’atome par l’homme, à des sources artificielles. Sources naturelles Rayonnement d’origine cosmique Généralités Le rayonnement cosmique qui atteint la surface de la terre, et donc les populations qui y vivent est le rayonnement secondaire produit par interaction du rayonnement primaire sur les couches de l’atmosphère. Le rayonnement cosmique primaire n’atteint pas la surface de la terre. Celui-ci est constitué principalement de protons dont l’énergie varie entre 1 et 1014 MeV. Les protons à haut niveau d’énergie provoquent des réactions nucléaires, les protons à bas niveau d’énergie interagissent par ionisation. Les réactions nucléaires produisent essentiellement des nucléons (neutrons et protons), et des mésons (pions et kaons). Les nucléons perdent rapidement leur énergie par collision et ionisation dans l’atmosphère ; par contre, les pions et les kaons se transforment en muons, électrons et photons. A cause de leur durée de vie « relativement importante » de l’ordre de la microseconde, et de leur faible section efficace d’interaction avec la matière, les muons constituent la principale composante du rayonnement cosmique au niveau de la mer. Composantes du rayonnement cosmique On distingue dans le rayonnement cosmique une composante ionique (qui contribue pour la plus grande part à l’irradiation cosmique), une composante neutronique, ainsi qu’une composante due aux radioéléments induits. Parmi les radio-nucléides induits, on trouve le béryllium-7, le tritium et le carbone –14. Seul le bérillyium-7 peut être à l’origine d’une irradiation externe, de toute manière très faible par rapport à l’ensemble de l’irradiation cosmique. Contribution des diverses composantes du rayonnement cosmique Composante ionique 28 mrad/an Composante neutronique 0,5 mrad/an Radio-nucléides induits négligeable - 32 - Physique Physique nucléaire 3°degré Répartition du rayonnement d’origine cosmique Le rayonnement cosmique varie dans l’espace, car il est fonction de l’altitude, et dans le temps, car il est lié aux cycles d’activité solaire. Rayonnement tellurique Les radio-nucléides naturels Radio-nucléides primaires Les radio-nucléides primaires sont apparus lors de la nucléosynthèse, et ont subsisté jusqu’à nous en raison de leur demi-vie très longue. Le dernier épisode de nucléosynthèse des nucléides constitutifs du système solaire a eu lieu il y a 5 milliards d’années (estimation). Seul l’hélium est encore produit dans le soleil à l’heure actuelle, par fission de l’hydrogène. On distingue les radio-nucléides primaires indépendants, et les têtes de famille. Radio-nucléides indépendants Ceux-ci donnent lieu directement à un nucléide stable - 33 - Physique Physique nucléaire Radio-nucléides têtes de famille Ils donnent naissance à une famille radioactive. Il s’agit de l’uranium 235, l’uranium 238, et le thorium 232 - 34 - 3°degré Physique Physique nucléaire 3°degré Radio-nucléides secondaires Sont formés par désintégration d’un parent radioactif. Ils constituent les membres des familles radioactives actuelles, qui sont au nombre de trois. Radio-nucléides induits Ce sont les radio-nucléides à durée de vie trop courte pour être primaires, et non formés par désintégration d’un parent primaire. Ils sont produits actuellement lors de réactions nucléaires provoquées par le rayonnement naturel (cosmique ou tellurique). Principaux nucléides radioactifs dans la croûte terrestre nucléide Abondance isotopique Demi-vie (109 ans) (%) K-40 0,012 1,28 U-238 99,3 (100-0,7) 4,47 Th-232 100 14,4 - 35 - Abondance (g/g) 3,1 2,8 10 Physique Physique nucléaire 3°degré Répartition géographique du rayonnement d’origine tellurique La répartition géographique suit la répartition des roches. Certaines régions (Bretagne, Massif Central, Ecosse) subissent une irradiation tellurique importante. Un des risques pour les population est l’absorption par voie respiratoire du Radon, une des produits de désintégration de l’U-238. On trouve en Europe des doses annuelles de 30 à 200 mrem. Ces doses sont à comparer au niveau admis, qui est de 500 mrem par an pour les individus qui ne sont pas exposés pour des raisons professionnelles. - 36 - Physique Physique nucléaire 3°degré Estimation des équivalents de dose effectifs annuels pour les sources naturelles des rayonnements ionisants dans des régions non exceptionnelles Sources Rayonnement cosmique - Composante ionisante - Composante neutronique - Radio-nucléides induits Total Rayonnement tellurique - K40 - U238 - Th232 Total Rayonnement interne - K40 - U238 et descendants - Rn222 et Rn220 - Th232 Total TOTAL TOTAL GENERAL Equivalent de dose effectif annuel(mSv) Irradiation externe Irradiation interne 0,28 0,021 0,015 0,30 0,12 0,09 0,14 0,35 0,65 2 mSv (200mrem) - 37 - 0,18 0,15 0,97 0,015 1,34 1,35 Physique Physique nucléaire 3°degré Sources artificielles Introduction Les sources non naturelles de rayonnement sont principalement les rayons X, utilisés en médecine, et les radio-nucléides artificiels. Les rayons X ne seront pas traités dans le cadre de ce cours. Les radio-nucléides artificiels ont principalement deux origines : - les centrales nucléaires (rejets, accidents) - les bombes atomiques Bref historique Le début de l’ère atomique débute réellement en 1938, lorsque la fission est découverte un peu par hasard, lors de tentative de synthèse d’éléments transuraniens (nombre de protons > 92, travaux de Fermi, Irène Curie, Otto Hahn). La synthèse d’éléments transuraniens repose sur les principes suivants : - l’uranium est bombardé avec des neutrons. Ces neutrons doivent avoir un certain niveau d’énergie : de l’ordre de 0,025 eV. Pour obtenir des neutrons de cette énergie, on les « ralentit » par chocs avec des protons H, dont la masse est proche de celle du neutron. Les neutrons sont ainsi ralentis, mais pas absorbés. - un neutron peut se transformer en proton, en libérant une particule Le transuranien le plus connu est le plutonium. La fission de l’uranium : Le réacteur nucléaire Principe de la fission de l’uranium La fission de l’uranium est la réaction nucléaire qui consiste à « casser » le noyau de l’uranium en éléments plus petits, en bombardant le noyau d’uranium de neutrons. Les noyaux formés étant plus légers, ils auront un nombre de neutrons excédentaire, car le nombre de protons étant moins élevé, il faut moins de nucléons neutres pour compenser les forces de répulsion électrostatiques. Les atomes dont le numéro atomique (Z, nombre de protons) est inférieur à 20 ont d’ailleurs un nombre de neutrons sensiblement égal au nombre de protons. Les neutrons excédentaires sont eux-mêmes projetés sur d’autres noyaux d’uranium, entraînant d’autres réactions de fission. Le seul matériau fissile naturel est l’uranium-235. L’uranium naturel est constitué pour 99,3% de l’isotope U-238, et seulement 0,7% de l’isotope fissile U-235. La réaction de fission en chaîne est possible dans l’uranium naturel, mais moyennant certains conditions. - Il faut tout d’abord que les neutrons ne s’échappent pas de la masse d’uranium. Il faut donc une certaine quantité d’uranium, c’est ce que l’on appelle la masse critique. - D’autre part, il faut que les neutrons aient une énergie ni trop faible, ni trop élevée pour être captés par les noyaux d’uranium. - Enfin, il ne faut pas trop d’impuretés à même d’absorber les neutrons. Un noyau subissant la fission donne en moyenne 2 à 3 neutrons, d’une énergie de 1 MeV. L’uranium 238 capture les neutrons. - 38 - Physique Physique nucléaire 3°degré Le rôle du modérateur Nous avons donc vu qu’il faut ralentir, mais pas absorber les neutrons. C’est le rôle du modérateur. Différents modérateurs existent, parmi lesquels l’hydrogène (eau), le carbone (graphite), le béryllium… Dispositifs de contrôle de la réaction Le bore est un bon modérateur, mais aussi un puissant absorbeur de neutrons. Il n’est donc pas utilisé comme modérateur, mais dans les dispositifs de contrôle de la réaction. Lorsqu’il faut arrêter la réaction en chaîne, on plonge des barres de contrôle constituées de bore dans le coeur du réacteur. Mais on voit aussi que puisque chaque réaction de fission donne lieu à 2 ou 3 neutrons, le risque existe de voir la réaction en chaîne s’emballer, et conduire à l’explosion. Idéalement, il faudrait que chaque réaction de fission produise un neutron efficace. L’uranium-238 est un absorbeur de neutrons. Premier réacteur nucléaire Le premier réacteur nucléaire était constitué de barres d’uranium naturel à 0,7% d’U-235, plongées dans du graphite servant de modérateur. Des barres de contrôles de Bore permettaient de piloter la réaction. Le principe de ce type de réacteur est basé sur le fait que le libre parcours moyen d’un neutron de fission est de 2 à 3 cm dans l’uranium. Il y a donc intérêt à ce que les neutrons de fission passent dans le modérateur, où leur énergie diminue rapidement. On espère que lorsque leur énergie est proche de l’énergie nécessaire pour provoquer la fission de l’U-235, ils passent dans une barre d’uranium. Heureusement, les neutrons lents sont peu sujets à l’absorption par l’U-238 ! Le plutonium L’absorption de neutrons par l’U-238 ne conduit normalement pas à la fission, mais à la formation d’U-239, qui par désintégration - donne le Neptunium-239, qui lui même se désintègre (-) en Plutonium 239. Ce dernier est fissile. Mais à cause de la présence de neutrons rapides, le plutonium Pu-239 devient Pu-240 non fissile. (la fission nécessite des neutrons lents, mais les neutrons rapides peuvent entraîner la fission de l’U-238) Le plutonium s’accumule donc dans le réacteur. Les militaires retirent le plutonium tant qu’il est fissile (fabrication de bombes). Le pu-239 est aussi utilisé dans les réacteurs surrégénérateurs (voir plus loin). - 39 - Physique Physique nucléaire 3°degré Différents types de centrales La proportion d’U-235 va donc avoir son importance. En pratique, pour l’usage civil de production d’énergie, l’uranium est enrichi à 3%, c’est à dire qu’il contient 3% d’U-235 pour 97% d’U-238. La combinaison des différents types de « combustibles », modérateurs et caloporteurs (refroidissement et transport primaire d’énergie) donne les différentes filières de réacteurs. « Combustible » - U naturel (0,7 % d’U-235) - U enrichi (3% d’U 235) - U 235 pur - Pu-239 Modérateur - H20 - D20 (« eau lourde ») - C (graphite) - Be - Liquides organique Caloporteur - H20 - D20 (« eau lourde ») - CO2 - He - Na Tableau de quelques filières de réacteurs BWR (Boiling Water Reactor) - Combustible : Uranium enrichi (2,6%), oxyde d’uranium - Gainage : Zircaloy - Modérateur : Eau ordinaire - Caloporteur : Eau ordinaire bouillante sous pression - Rendement théorique : 32% - Dimensions du cœur ( x h) : 3,7 x 3,7 m - Pays : E-U - 40 - Physique Physique nucléaire 3°degré PWR (Pressurized Water reactor) - Combustible : Uranium enrichi (3,3%), oxyde d’uranium - Gainage : Zircaloy - Modérateur : Eau ordinaire - Caloporteur : Eau ordinaire sous pression - Rendement théorique : 32% - Dimensions du cœur ( x h) : 3,0 x 3,7 m - Pays : E-U SGHWR (Steam Generator Heavy Water Reactor) - Combustible : Uranium enrichi (2,24%), oxyde d’uranium - Gainage : Zircaloy - Modérateur : Eau lourde - Caloporteur : Eau ordinaire sous pression - Rendement théorique : 32% - Dimensions du cœur ( x h) : 3,0 x 3,7 m - Pays : Royaume-Uni CANDU (Canadian Deuterium Uranium) - Combustible : Uranium naturel, oxyde d’uranium - Gainage : Zircaloy - Modérateur : Eau lourde - Caloporteur : Eau lourde sous pression - Rendement théorique : 30% - Dimensions du cœur ( x h) : 7,1 x 5,9 m - Pays : Canada MAGNOX (Magnesium Alloy) - Combustible : Uranium naturel, métal - Gainage : Alliage magnésium (Magnox) - Modérateur : Graphite - Caloporteur : CO2 sous pression - Rendement théorique : 31% - Dimensions du cœur ( x h) : 14 x 9 m - Pays : Royaume-Uni, France AGR (Advanced Gaz-Cooled Reactor) - Combustible : Uranium enrichi (2,3%), oxyde d’uranium - Gainage : Inox - Modérateur : Graphite - Caloporteur : CO2 sous pression - Rendement théorique : 42% - Dimensions du cœur ( x h) : 3,0 x 3,7 m - Pays : Royaume-Uni - 41 - Physique Physique nucléaire 3°degré HTGR (High Temperature Gaz-Cooled Reactor) - Combustible : Uranium enrichi (10%), carbure d’uranium - Gainage : Graphite - Modérateur : Graphite - Caloporteur : Hélium - Rendement théorique : 39% - Dimensions du cœur ( x h) : 9,8 x 6 m - Pays : Royaume-Uni, E-U FBR (Fast-Breeder Reactor, surrégénérateur) - Combustible : Uranium naturel, plutonium-239, oxydes - Gainage : Inox - Modérateur : - Caloporteur : Sodium liquide - Rendement théorique : 44% - Dimensions du cœur ( x h) : 2,3 x 1,1 m - Pays : France, URSS, Royaume-Uni La centrale classique La centrale nucléaire classique est de type PWR (Pressurized Water Reactor), ou REP (Réacteur à eau pressurisée). Le « combustible » est de l’uranium enrichi, et l’eau fait office et de modérateur et de caloporteur. Ce type de réacteur est en principe très sûr, car en cas de surchauffe, par exemple, la disparition de l’eau et donc du modérateur entraîne l’arrêt de la réaction, car il n’y a plus de neutrons lents responsables de fissions. Le surrégénérateur Le surrégénérateur est un réacteur sans modérateur, à neutrons rapides. Le terme « surrégénérateur » vient du fait que la réaction régénère le combustible. 1 neutron produit 1 fission qui à son tour produit 3 neutrons. Ces trois neutrons produisent en moyenne 1 nouvelle fission, mais 1,5 neutrons seront capturés par le combustible et vont ainsi le régénérer, au lieu de subir une capture stérile par un absorbeur de neutrons (U-238, par exemple). Cette filière est plus dangereuse, notamment en raison de l’absence de modérateur, et de la nécessité d’utiliser un caloporteur à densité faible, afin de ne pas ralentir les neutrons. On utilise souvent le sodium liquide, et ce dernier s’enflamme au contact de l’air et explose au contact de l’eau. Pour rappel, les quelques % d’U-235 des réacteurs classiques ne peuvent propager la réaction de fission. Un grand avantage est que le combustible utilisé (Pu-239) provient du retraitement des réacteurs normaux. On estime que cette filière permet de multiplier par 150 les réserves d’Uranium. - 42 - Physique Physique nucléaire 3°degré La problématique des déchets Le principal inconvénient des centrales nucléaires, d’un point de vue des effets sur l’environnement est la production de déchets dont la gestion pose nombre de problèmes. Dans un réacteur de type PWR, le « combustible » est irradié par le flux de neutrons pendant 3 ans. A la fin de cette période, 30% des fissions se produisent encore dans l’U-235, 55% dans le Pu-239, 10% dans le Pu-241, et 4% dans l’U-238. Sur la durée de vie du combustible, 60% des fissions génératrices d’énergie se produisent dans l’U-235, 31% dans le Pu-239, 4% dans le Pu-241, 5% dans l’U-238. Pour une tonne de combustible enrichi à 3,3% en U-235, seront consommés : - 24 kg d’U-238 - 25 kg d’U-235 A noter la proportion faible de l’U-238, celui-ci ne subit que peu de fissions, induites par des neutrons rapides. La principale source de réactions est l’U-235. Sont produits, outre plus ou moins 800x106 kWh thermiques, - 35 kg de produits de fission - 14 kg d’actinides (transuraniens) Produits de fission. Les produits de fission sont tous en excès de neutrons, et sont de ce fait des émetteurs -. On remarque deux pics d’abondance en fonction du nombre de masse : autour de 95, et autour de 140. 95 correspond au Zirconium, et 140 au Baryum. Parmi les autres produits de fission abondants, on peut citer le Strontium-90 (Sr-90), l’Yttrium-90 (Y-90), le Césium-137 (Cs137), l’Iode-131 (I-131), le Krypton-85 (Kr-85). Produits d’activation et actinides Parmi les produits d’activation et actinides, on trouve principalement du Plutonium, qui est un émetteur pur. Son principal danger est qu’il s’inhale facilement et se fixe au niveau des bronches, provoquant ainsi des cancers bronchiques. Citons aussi l’U-236, le Neptunium-237 (Np-237), l’americum-243 (Am-243). La longue vie des déchets radioactifs La durée de vie des produits de fission et des actinides est variable. Leur contribution à la radioactivité des déchets varie donc dans le temps. Les plus actifs ont en général une durée de vie plus courte. Le graphique suivant montre l’évolution de l’activité des déchets générés lors de la production de 1 GW pendant une année. Les échelles sont logarithmiques. On voit que le niveau de radioactivité reste dangereux pendant plus de 10 000 ans, et que la radioactivité est surtout le fait du Cs-137, du Ba-137, de l’Y-90 et du Sr-90. - 43 - Physique Physique nucléaire - 44 - 3°degré Physique Physique nucléaire 3°degré Les armes nucléaires La production d’énergie électrique n’est malheureusement pas le seul usage fait de l’énergie atomique. Les quantités inouïes d’énergie produites ont vite intéressé les puissances militaires. On distingue essentiellement les bombes atomiques classiques, à fission, et les bombes à fission, ou à hydrogène. Dans une bombe à fission, la réaction de fission de l’uranium (ou du plutonium) n’est pas contrôlée par un absorbeur de neutrons. La réaction en chaîne est explosive. Outre la puissance de destruction largement supérieure à celle des explosifs classiques, les ravages proviennent également des radiations directes et de la contamination par les retombées. La radioactivité produite par l’explosion d’une bombe nucléaire à fission, suit une décroissance quelque peu différente de celle qui est produite par une centrale énergétique. La radioactivité totale libérée par l’explosion d’une bombe est de l’ordre du millier de fois plus grande que celle qui est produite lors de la durée de vie d’une centrale nucléaire, mais la décroissance est beaucoup plus rapide. Après quelques jours, la radioactivité totale produite par la bombe se rapproche de celle produite par le réacteur nucléaire civil, et après dix années, la radioactivité résultant de l’explosion de la bombe est 100 fois moindre que celle des déchets du réacteur civil. Ceci est dû à l’apparition de produits de fission et d’activation différents dans les deux cas. Cependant, les isotopes qui contribuent le plus à la radioactivité sont de nouveau le Sr-90 et l’Y-90, ainsi que le Cs-137, surtout après les premières années. Au début, ce sont surtout les radio-nucléides à durée de vie plus courte Lantane-140, Baryum140 et Iode-131 qui contribuent à la radioactivité. Sources d’irradiation de la population dans les pays industrialisés On constate que les sources naturelles et artificielles contribuent de façon plus ou moins équivalente dans la dose effective (compte tenu des effets biologiques) reçue. Les sources naturelles englobent le rayonnement cosmique, le rayonnement tellurique et l’irradiation interne, due principalement à la désintégration du radon dans les poumons. - 45 - Physique Physique nucléaire 3°degré Annexes Hydrogène Hélium Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Fer Cobalt Nickel Cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Ruthénium H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl A K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Ru 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 44 1,0081 4,003 6,94 9,02 10,82 12,01 14,008 16 19 20,183 22,997 24,32 26,97 28,06 30,98 32,06 35,457 39,944 39,096 40,08 45,1 47,9 50,95 52,01 54,93 55,84 58,94 58,69 63,57 65,38 69,72 72,6 74,91 78,96 79,916 83,7 85,48 87,63 88,92 91,22 92,91 95,95 101,7 Rhodium Palladium Argent Cadmium Indium Etain Antimoine Tellure Iode Xénon Césium Baryum Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutétium Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure Thallium Plomb Bismuth Radon Radium Thorium Protactinium Uranium - 46 - Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Rn Ra Th Pa U 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 86 88 90 91 92 102,91 106,7 107,88 112,41 114,76 118,7 121,76 127,61 126,92 131,3 132,91 137,36 138,92 140,13 140,92 144,27 150,43 152 156,9 159,2 162,46 164,94 167,2 169,4 173,04 175 178,6 180,88 183,92 186,31 190,2 193,1 195,23 197,2 200,61 204,39 207,21 209 222 226,05 232,12 231 238,07
