SEMAINE 1 Les origines de la radioactivite - Fun-Mooc

MOOC « Au cœur de la radioactivité médicale »
SEMAINE 1
Les origines de la radioactivite
Enseignant : Ferid Haddad
Bonjour à tous, bienvenu à ce 2ème épisode du MOOC au cœur de la radioactivité médicale.
J’ai le plaisir de vous présenter la radioactivité.
On peut imaginer que depuis la nuit des temps les hommes se sont posé des questions sur le
monde qui les entoure et la manière dont il était constitué.
Les grecs anciens avaient ainsi imaginé que la matière qui nous entoure était composée
d’éléments invisibles les atomes.
Comme le nom l’indique, un atome pour les grecs « ne peut être coupé » et correspond de ce
fait à la plus petite partie possible de la matière.
Cette conception très moderne de la matière, bien qu’apparue très tôt, ne s’est imposée qu’à
partir du 19ieme siècle avec les débuts de la chimie moderne puis de la physique moderne
qui a amené la découverte de la structure de l’atome puis des particules élémentaires.
On sait maintenant que la matière se compose d’atomes dont la taille est de l’ordre de 10-10m.
Chaque atome est électriquement neutre bien que composé de charges positive et négative.
La matière est distribuée de manière hétérogène dans l’atome. Elle est principalement
concentrée en son centre dans ce qu’on appelle le noyau. Le noyau est chargé positivement.
L’atome étant électriquement neutre, un ensemble de charges électriques négatives, les
électrons, s’ajoute au noyau.
Le noyau a une taille bien plus petite que l’atome, 10-14m. Cela indique donc que la matière
est majoritairement composée d’espace vide.
Le noyau est composé de deux types de particules, les protons et les neutrons. Ces deux
particules ont la même masse. Cette masse étant très grande devant celle des électrons, le
nombre total de neutrons et de protons permet de caractériser la masse d’un noyau et est
appelé nombre de masse, A.
Seule la charge électrique différencie les protons et les neutrons. Ainsi, le proton a une charge
électrique positive et égale à 1,6 10-19 Coulomb tandis que le neutron n’est pas chargé.
L’atome étant neutre et la charge d’un électron étant égale et opposée à celle d’un proton, il
y aura le même nombre d’électrons que de protons dans un atome. Comme, de plus, les
propriétés chimiques des atomes sont gouvernées par les électrons, on utilisera le nombre
de protons, qu’on appelle numéro atomique et qu’on symbolise par Z, pour caractériser un
élément chimique.
On a pu, jusqu’à aujourd’hui, identifier dans la nature ou créer en laboratoire 118 éléments
différents et les travaux se poursuivent pour fabriquer des éléments de plus en plus lourds.
Tous les atomes ayant le même numéro atomique, c’est-à-dire le même nombre de protons,
auront les mêmes propriétés chimiques.
1
MOOC « Au cœur de la radioactivité médicale »
En ajoutant des neutrons dans un noyau, on modifiera l’atome mais celui-ci conservera les
mêmes propriétés chimiques. On obtient ce qu’on appelle un isotope.
La physique nucléaire est la discipline qui consiste à modifier la structure des noyaux.
Les nucléons ne sont pas les constituants élémentaires de la matière. Les expériences
réalisées en physique des particules ont permis de montrer que ceux-ci étaient constitués
de quarks. Il existe 6 sortes de quarks. Avec les leptons, auxquels appartiennent les
électrons, ils forment les constituants élémentaires de la matière et sont l’objet des études
en physique des particules.
La radioactivité est un mécanisme naturel qui est lié à la composition du noyau. Son étude
est donc réalisée dans le cadre de la physique nucléaire et de la chimie nucléaire.
Quand on groupe des nucléons on peut réaliser des ensembles qui sont pérennes dans le
temps: on dit qu’on a formé des noyaux stables.
A contrario, la plupart des agencements que l’on va réaliser sont instables dans le temps, on
dit aussi qu’ils sont radioactifs.
Un noyau radioactif va se transformer au cours du temps de manière à arriver sur une
configuration stable en émettant des radiations.
Si on reprend l’exemple du fer, en plus des isotopes stables que l’on a présenté sur la
troisième diapositive, on a un ensemble d’isotopes instables qui sont entourés en rouge sur
cette diapositive.
On les appelle aussi isotopes radioactifs, radionucléides et par abus de langage
radioéléments.
On caractérisera un noyau radioactif par le temps qu’il met à se transformer en passant d’un
noyau instable à un autre noyau qui peut être stable ou un peu moins instable.
Pour cela on définit plusieurs grandeurs:
L’activité est le nombre de désintégrations par seconde, c’est-à-dire le nombre de noyaux qui
ont disparu en une seconde. Cette grandeur s’exprime en Becquerel, en hommage à Henry
Becquerel qui a découvert le phénomène de radioactivité à la fin du 19ème siècle. Cette
grandeur est intéressante car elle peut être mesurée par l’intermédiaire de la détection des
radiations émises concomitamment au phénomène de désintégration radioactive.
Lorsque l’on trace l’évolution de l’activité d’un isotope radioactif au cours du temps, on met
en évidence un comportement exponentiel décroissant qui indique que la population des
noyaux radioactifs diminue avec le temps, comme on peut le voir en rouge sur la courbe.
La vitesse de cette diminution est caractérisée par la période radioactive du noyau, c’est-àdire le temps au bout duquel la moitié de l’activité a disparu.
Plus la période est petite et plus la radioactivité va disparaitre rapidement et inversement.
Pour être utilisé en médecine nucléaire, un noyau radioactif doit avoir une période
radioactive ni trop courte car il faut pouvoir le produire et le préparer pour pouvoir l’utiliser
dans de bonnes conditions, ni trop longue pour limiter la dose reçue aux patients.
La radioactivité est un phénomène naturel et on trouve de nombreux isotopes radioactifs
dans la nature. On peut distinguer 2 sources de production.
2
MOOC « Au cœur de la radioactivité médicale »
D’un côté on a les noyaux radioactifs dont la période radioactive est grande, de l’ordre du
milliard d’années. Ils n’ont pas eu le temps de totalement disparaitre après leur création
initiale.
On trouve ainsi le Potassium-40 qui représente 0,0112% du potassium naturel. Il est présent
dans les os et dans de nombreux produits alimentaires ou industriels.
Certains de ces noyaux, comme par exemple l’uranium-238, produisent lors de la
décroissance radioactive des noyaux qui sont eux-mêmes radioactifs et ainsi de suite jusqu’à
ce que ces décroissances successives forment un noyau stable. On a alors une chaine de
décroissance radioactive.
Sur cette figure, on a représenté la chaine de décroissance radioactive de l’uranium-238. Dans
cette chaine, on a une dizaine de noyaux radioactifs qui sont créés. Même si la période
radioactive d’un élément est courte, il y a en permanence création de nouveaux noyaux. Un
équilibre est alors atteint qui fait que tous ces éléments sont présents et le seront tant que de
l’uranium-238 sera présent. Il est important de noter que ces différents éléments ont des
propriétés chimiques différentes. Ainsi le Radon-222 est sous forme gazeuse et peut
représenter un problème car il sera beaucoup plus mobile que ses pères et pourra
potentiellement s’accumuler dans les lieux de vie. C’est une problématique actuelle de santé
publique.
Il existe plusieurs chaines radioactives de ce type que l’on nomme plutôt famille radioactive.
Il existe 4 familles radioactives. Deux sont associées aux isotopes Uranium-238 et Uranium235, une est associée au Thorium-232 et la dernière est associée au Neptunium-237.
Cette dernière famille radioactive avait disparu, compte tenu de la période radioactive du
Neptunium-237, mais a été réactivé de manière artificielle suite aux différents essais
nucléaires et aux travaux sur les réacteurs nucléaires.
Certains des éléments de filiations de ces familles radioactives peuvent être utilisés pour des
applications en médecine nucléaire comme par exemple le radium-223.
L’autre mécanisme naturel de production de noyaux radioactifs est lié au bombardement
permanent que subit la terre par le rayonnement cosmique. Ce rayonnement est composé de
particules de toutes natures et énergies dont certaines ont des énergies suffisantes pour
induire des réactions nucléaires dans l’atmosphère.
On voit sur la figure la gerbe de particules créée par l’interaction d’une particule cosmique
primaire avec l’atmosphère qui est principalement composée de noyaux d’azote, d’oxygène
et d’argon.
Ces interactions vont produire de nombreux isotopes radioactifs mais seuls ceux ayant des
périodes radioactives suffisamment longues sont potentiellement utilisables.
On appelle les noyaux produits selon ce mécanisme, les isotopes radioactifs cosmogéniques.
Dans ce tableau, on a représenté les plus importants. Parmi eux le Carbone-14, isotope que
l’on utilise pour la datation historique, et le tritium qui se retrouve en quantité très
importante dans la nature.
Un exemple de voie de production est donné pour chacun des 2 noyaux par interaction des
rayons cosmiques avec les noyaux d’azote de l’atmosphère. Ces réactions ne sont pas les
seules possibles.
3
MOOC « Au cœur de la radioactivité médicale »
Ces éléments, compte tenu de leurs périodes radioactives et des propriétés chimiques, vont
se retrouver dans la chaine alimentaire et dans la nature. Cela va participer à l’irradiation
naturelle que nous subissons en permanence.
Il n’y a pas d’utilisation des éléments produits selon ce mécanisme en médecine nucléaire
pour le moment.
Compte tenu de la présence importante de radioactivité naturelle, il est intéressant de faire
une évaluation de ce phénomène dans notre environnement.
En déterminant la quantité de potassium présent dans le corps humain pour un adulte male
de 80 kg, on trouve près de 4500 Bq c’est-à-dire près de 4500 désintégrations à l’intérieur de
chacun de nous chaque seconde. De la même manière, le Carbone-14 produit dans
l’atmosphère se combine avec l’oxygène pour créer du CO2 qui va intégrer la chaine
alimentaire. Ce Carbone-14 apporte 3700 Bq à chacun d’entre nous.
Nous sommes donc tous radioactifs.
De la même manière, notre environnement est radioactif et on retrouve, comme on peut le
voir, des isotopes radioactifs dans les aliments, l’eau et notre environnement.
Il est aussi possible de produire de manière artificielle des isotopes radioactifs. Pour cela il
faut bombarder des atomes stables avec des projectiles suffisamment énergétiques pour
induire une réaction nucléaire.
Par exemple, on peut utiliser des protons pour produire l’isotope radioactif de masse 18 du
fluor (l’isotope stable du fluor a un nombre de masse égal à 19 et un numéro atomique de 9).
Pour cela on utilise une cible contenant de l’oxygène-18, un isotope stable de l’oxygène.
L’énergie des protons que l’on utilise est importante, de l’ordre de 18 MeV, soit 11,2510-13 J
ce qui correspond à une vitesse de 58800 km/s soit à peu près 20% de la vitesse de la lumière
dans le vide.
Dans ce type de réaction nucléaire, on conserve le nombre total de nucléons ainsi que la
charge. Par contre, on n’est pas en mesure de contrôler ce qui va se passer et il existe une
certaine probabilité pour que la réaction souhaitée se fasse. D’autres réactions peuvent aussi
avoir lieu qui sont parasites et peuvent être contraignantes. Par exemple on peut avoir la
réaction produisant le Fluor-17 comme présenté sur la figure.
La production artificielle d’isotopes radioactifs peut se faire en utilisant des réacteurs
nucléaires de recherche dont les caractéristiques sont très différentes des réacteurs de
production d’électricité. Dans ce cas, les projectiles sont des neutrons.
On peut aussi utiliser des accélérateurs. Dans ce cas, les projectiles sont des particules
chargées, comme par exemple les protons, qu’on a présentés juste avant.
On peut aussi utiliser le principe de la filiation si on a réussi à isoler des isotopes père ayant
une période radioactive longue. C’est le principe du générateur qui peut être mis en place
dans quelques cas.
Dans la semaine 2 une présentation plus importante de la production en accélérateur sera
faite.
4