Lesson Explainer: Radioactivité Chimie • First Year of Secondary School

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à expliquer le concept de radioactivité.

En 1896, le scientifique français Henri Becquerel effectuait des recherches sur l’uranium et son éventuel lien avec le rayonnement X qui venait d’être découvert. Becquerel a fait l’hypothèse que l’uranium absorbait la lumière du soleil et la libérait sous forme de rayons X. Pour tester cette théorie, il a emballé une plaque photographique dans du papier noir, a placé des sels d’uranium sur le dessus et l’a exposée au soleil. Lorsque la plaque photographique a été conçue, Becquerel a pu voir clairement le contour des cristaux d’uranium. Il a essayé ensuite de placer des objets entre la plaque et les cristaux, et lorsque la plaque a été conçue, un contour de l’objet était visible.

Ces expériences semblaient étayer l’hypothèse de Becquerel et il a continué à mener d’autres expériences. À la fin du mois de février de la même année, le ciel au-dessus de Paris était nuageux pendant plusieurs jours. Becquerel a placé les plaques photographiques et l’uranium dans un tiroir en attendant une journée ensoleillée. Après plusieurs jours, il a décidé de poursuivre et développer les plaques en s’attendant à voir une image très faible. À sa grande surprise, l’image était aussi nette que lorsque l’uranium avait été placé au soleil. Cela a conduit Becquerel à faire l’hypothèse que l’uranium produisait des rayons sans la lumière solaire.

La suite de ses recherches a montré que ces rayons n’avaient pas le même comportement que les rayons X. Il a ensuite montré que les rayons pouvaient provoquer la décharge de particules électrifiées, connue maintenant sous le nom d’ionisation.

En 1898, Marie Curie, doctorante de Becquerel, et son mari Pierre ont poursuivi leurs recherches sur l’uranium et ont découvert que les éléments polonium et radium produisaient également des rayons. Marie Curie a inventé le terme radioactivité pour décrire l’émission spontanée de particules et/ou du rayonnement.

Les importants travaux d’Ernest Rutherford et de Paul Villard sur la capacité de pénétration (la capacité de traverser un milieu) et le comportement de l’émission radioactive dans les champs électriques et magnétiques ont conduit à la découverte de rayonnements alpha, bêta et gamma.

Le rayonnement alpha, appelé aussi particules alpha ou rayons alpha, est constitué de particules rapides qui contiennent chacune deux protons et deux neutrons. Une particule alpha a une masse de 4 unités de masse atomique unifiées et une charge nette de . Les particules alpha peuvent être représentées par la lettre grecque ou par le symbole de son nucléide , car une particule alpha a la même composition qu’un noyau d’hélium.

Comme les particules alpha ont une charge positive, lorsque le rayonnement alpha passe à travers un champ électrique ou magnétique entre deux plaques chargées de signes opposés, le rayonnement est repoussé par la plaque de charge positive et attiré par la plaque de charge négative.

En raison de la taille de la particule, les particules alpha ont une faible capacité de pénétration et peuvent être arrêtées par la peau, par un morceau de papier ou par une dizaine de centimètres d’air.

Le rayonnement bêta, appelé aussi particules bêta ou rayons bêta, se compose d’électrons ou de positrons de haute énergie. Ces particules de haute énergie se déplacent beaucoup plus vite que les particules alpha et ont une masse approximative de unités de masse atomique unifiées. Les électrons émis sous forme de rayonnement bêta ont une charge nette négative et peuvent être représentés par la lettre grecque ou par le symbole de leur nucléide , la notation symbolique d’un électron.

Comme les particules ont une charge négative, lorsque ce type de rayonnement bêta est passé à travers un champ électrique ou magnétique entre deux plaques chargées de signes opposés, le rayonnement est repoussé par la plaque de charge négative et attiré par la plaque de charge positive. Les particules bêta sont plus fortement déviées par un champ que les particules alpha.

Les particules bêta sont significativement plus petites que les particules alpha et ont donc une plus grande capacité de pénétration. Le rayonnement bêta peut passer à travers la peau et le papier, mais il peut être arrêté par une feuille mince d’aluminium.

Le rayonnement gamma (ou rayons gamma) consiste en une onde électromagnétique de haute fréquence qui se déplace à la vitesse de la lumière. Le rayonnement gamma n’a pas de masse ni de charge car il n’est pas composé de particules. Le rayonnement gamma peut être représenté par la lettre grecque ou par une notation symbolique de nucléide .

Comme le rayonnement gamma n’a pas de charge, il n’est pas affecté par les champs électriques et magnétiques.

Comme le rayonnement gamma n’a pas de masse et se déplace comme une onde d’énergie électromagnétique, il a la plus grande capacité de pénétration. Il peut traverser l’aluminium et la plupart des matériaux. Le béton ou les feuilles de plomb de quelques centimètres d’épaisseur sont souvent utilisés pour se protéger contre le rayonnement gamma. Cependant, ces matériaux pourraient ne pas être en mesure d’absorber tout le rayonnement gamma qui les traverse.

Exemple 1: Identifier la capacité de pénétration du rayonnement ionisant

Les questions suivantes portent sur la capacité de différents types de rayonnements ionisants à pénétrer diverses substances.

1. Quel type de rayonnement ionisant est capable de traverser l’aluminium mais est arrêté par de grandes quantités de béton ou plusieurs centimètres de plomb ? 
   1. les particules
   2. les particules
   3. les rayons
2. Quel type de rayonnement ionisant est capable de passer à travers le papier mais est arrêté par une feuille d’aluminium ? 
   1. les particules
   2. les particules
   3. les rayons
3. Quel type de rayonnement ionisant peut être arrêté par une main humaine ? 
   1. les particules
   2. les particules
   3. les rayons

Réponse

Partie 1

Les trois principaux types de rayonnements ionisants sont les particules alpha , les particules bêta et les rayons gamma . Les particules alpha ont une masse plus grande que les particules bêta. Les rayons gamma sont des ondes électromagnétiques et n’ont donc pas de masse. Comme les particules alpha ont la masse la plus grande, elles ont la capacité de pénétration la plus faible. Comme les rayons gamma n’ont pas de masse, ils ont la capacité de pénétration la plus grande. Les particules bêta ont une masse comprise entre celle des particules alpha et celle des rayons gamma. Ainsi, la capacité de pénétration d’une particule bêta est supérieure à celle d’une particule alpha, mais inférieure à celle d’un rayon gamma.

En termes de protection, les particules alpha peuvent être arrêtées par un morceau de papier ou de peau, les particules bêta peuvent être arrêtées par une feuille mince d’aluminium, et les rayons gamma peuvent être en grande partie arrêtés par des couches épaisses de plomb ou du béton.

Le type de rayonnement ionisant qui peut traverser l’aluminium mais qui est arrêté par de grandes quantités de béton ou plusieurs centimètres de plomb est le rayonnement . La bonne réponse est C.

Partie 2

Le type de rayonnement ionisant qui peut traverser le papier mais qui est arrêté par une feuille d’aluminium est constitué de particules . La bonne réponse est A.

Partie 3

Le type de rayonnement ionisant qui peut être arrêté par une main humaine est constitué de particules . La bonne réponse est B.

Le rayonnement peut être ionisant ou non ionisant. Le rayonnement ionisant est un rayonnement qui transporte suffisamment d’énergie pour arracher les électrons des atomes.

La figure ci-dessous montre le spectre électromagnétique divisé en un rayonnement ionisant et non ionisant. Les particules alpha, les particules bêta, les neutrons et les rayons cosmiques, un ensemble de particules de haute énergie, sont également des formes de rayonnement ionisant.

Exemple 3: Identifier un exemple de rayonnement ionisant

Lequel des rayonnements suivants est un exemple de rayonnement ionisant ? 

1. les rayons infrarouges
2. les rayons cosmiques
3. les rayons lumineux
4. les micro-ondes
5. les ondes radio

Réponse

Le rayonnement ionisant est un rayonnement qui transporte suffisamment d’énergie pour arracher les électrons des atomes. En regardant le spectre électromagnétique, nous pouvons diviser le rayonnement en un rayonnement ionisant et un rayonnement non ionisant dans le domaine ultraviolet.

En outre, certains types de rayonnement de particules sont ionisants. Ceci inclut les particules alpha, les particules bêta, les neutrons et les rayons cosmiques. On peut voir sur le diagramme du spectre électromagnétique que les rayons IR (rayonnement infrarouge), la lumière visible, les micro-ondes et les ondes radio ont moins d’énergie que les rayons UV et qu’ils sont non ionisants. Les rayons cosmiques contiennent des protons de haute énergie et des noyaux atomiques qui peuvent arracher les électrons des atomes. Par conséquent, la réponse B est un exemple de rayonnement ionisant.

Les rayonnements ionisants sont nocifs pour les systèmes biologiques car ils endommagent les tissus et les cellules. Les rayonnements ionisants à haute énergie peuvent ioniser les atomes de la cellule et rompre les liaisons des molécules essentielles à la fonction cellulaire.

L’eau constitue une grande partie du cytoplasme des cellules. Les rayonnements ionisants peuvent ioniser les molécules d’eau, qui réagissent alors avec l’ADN, les protéines ou les enzymes de la cellule.

Selon l’énergie du rayonnement ionisant et la durée de l’exposition, les cellules peuvent ne pas parvenir à se réparer ou mourir immédiatement.

Un autre effet que les rayonnements ionisants peuvent avoir sur les cellules est qu’ils perturbent le processus cellulaire de mitose. La mitose peut être ralentie dans les cellules ou même complètement empêchée, ce qui augmente le risque de développement de cellules cancéreuses et de tumeurs.

Les altérations à long terme des chromosomes d’une cellule peuvent entraîner des modifications de l’ADN qui peuvent être transmises génétiquement aux générations futures. Par conséquent, des enfants peuvent naître avec des caractéristiques potentiellement différentes de celles de leurs parents.

Les rayonnements non ionisants n’ont pas assez d’énergie pour provoquer le même type de dommages cellulaires ; cependant, ils peuvent causer des brûlures et d’autres effets néfastes pour la santé.

Les tours de téléphonie mobile sont une source de rayonnement non ionisant à laquelle beaucoup d’entre nous sont exposés quotidiennement. Les personnes qui vivent trop près de ces tours peuvent souffrir de maux de tête, de vertiges ou d’évanouissements.

En outre, de faibles niveaux de rayonnement non ionisant sont émis par les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables, le Wi-Fi et les fours à micro-ondes. Ils peuvent augmenter la température des cellules en absorbant l’énergie infrarouge. Certaines études scientifiques suggèrent que l’utilisation excessive de ces appareils, par exemple le fait de rester assis de nombreuses heures par jour avec un ordinateur portable directement sur les genoux, peut contribuer à l’infertilité masculine. L’augmentation de la chaleur peut avoir un impact négatif sur la santé des spermatozoïdes en raison du réchauffement doux et continu des testicules.

Exemple 4: Comprendre pourquoi un rayonnement non ionisant ne provoque pas de dommages cellulaires permanents

De manière générale, pourquoi les rayonnements non ionisants ne provoquent pas de dommages permanents aux cellules vivantes ? 

1. Le rayonnement non ionisant passe directement à travers les organismes vivants.
2. Le rayonnement non ionisant ne parcourt que des distances courtes.
3. Le rayonnement non ionisant n’a pas assez d’énergie pour endommager les cellules.
4. Le rayonnement non ionisant ne peut pas pénétrer les cellules vivantes.
5. L’exposition des cellules aux rayonnements non ionisants est minimale.

Réponse

En regardant le spectre électromagnétique, nous pouvons séparer le rayonnement en un rayonnement ionisant et rayonnement non ionisant dans le domaine ultraviolet.

Le rayonnement ionisant comprend également le rayonnement alpha, le rayonnement bêta et le rayonnement de neutrons. Le rayonnement ionisant a des longueurs d’onde courtes, une fréquence élevée et une énergie élevée, tandis qu’un rayonnement non ionisant a des longueurs d’onde longues, une fréquence basse et une énergie faible. L’énergie élevée du rayonnement ionisant peut rompre les liaisons dans les molécules d’une cellule ou ioniser les molécules d’une cellule. Les dommages aux cellules provoquées par un rayonnement ionisant sont souvent permanents. En revanche, le rayonnement non ionisant n’a pas assez d’énergie pour rompre les liaisons dans les molécules ou pour ioniser les molécules d’une cellule. L’exposition à un rayonnement non ionisant peut entraîner un réchauffement localisé des tissus et d’éventuelles brûlures, mais n’entraînera pas de dommages permanents aux cellules. En général, le rayonnement non ionisant ne cause pas de dommages permanents aux cellules vivantes, car il n’a pas assez d’énergie pour les endommager. La bonne réponse est C.

Le rayonnement alpha est le plus ionisant des trois principaux types de radioactivité. Le rayonnement alpha est constitué de grandes particules, relativement lentes, chargées positivement, qui arrachent rapidement les électrons des atomes environnants. L’ionisation causée par les particules alpha se produira sur une très courte distance. Cela signifie que, dans un système biologique, le rayonnement alpha provoquera beaucoup de dégâts dans une zone spécifique concentrée. Heureusement, comme le rayonnement alpha peut être arrêté par la peau, il n’est généralement préoccupant pour la santé que si il est inhalé ou ingéré.

Les particules bêta ont généralement plus d’énergie que les particules alpha, mais elles sont plus petites et transportent la moitié de la quantité de charge. Les particules bêta ionisent toujours les atomes, mais elles ionisent moins d’atomes sur une plus grande distance par rapport aux particules alpha.

Le rayonnement gamma est une onde électromagnétique de haute énergie. Le rayonnement gamma n’est pas chargé, mais son énergie peut être transférée à un électron pour provoquer l’émission de l’électron à partir d’un atome. Le rayonnement gamma se déplace plus vite que le rayonnement alpha et bêta, il passe le moins de temps en contact avec le tissu biologique et est le moins ionisant des trois principaux types de radioactivité. Pourtant, l’exposition aux rayons gamma pose beaucoup de problème de santé car ce rayonnement peut traverser le corps humain.

Le tableau ci-dessous résume les informations que nous avons discutées jusqu’à présent.

Nous sommes quotidiennement exposés au rayonnement ionisant provenant de sources d’origine naturelle et d’origine humaine, y compris le radium dans l’air et le sol, les rayons cosmiques et le potassium 40 dans les bananes. Notre exposition quotidienne au rayonnement ionisant pose peu de risques. Cependant, une exposition accrue peut entraîner des lésions liées au rayonnement ionisant, pouvant se manifester rapidement ou au cours de plusieurs ans. Ces symptômes, souvent désignées sous le nom de syndrome d’irradiation aiguë, peuvent inclure des brûlures, des nausées, une perte de cheveux et des ulcères. Une exposition sévère au rayonnement peut entraîner une augmentation des infections bactériennes, un cancer et une mort prématurée.

Les scientifiques ont trouvé un certain nombre de façons d’utiliser le rayonnement ionisant à notre avantage. L’américium 241, une source de particules alpha, est utilisé dans les détecteurs de fumée. Les particules alpha ionisent l’air ambiant. Une variation du taux d’ionisation due à la présence de fumée va déclencher une alarme. Le rayonnement gamma et les rayons X peuvent être utilisés pour irradier des aliments pour prolonger la durée de conservation et éliminer les organismes tels que Salmonella et E. coli qui peuvent provoquer des maladies d’origine alimentaire.

Dans les hôpitaux, les rayons gamma et les rayons X peuvent être utilisés pour stériliser le matériel et sont utilisés dans les appareils d’imagerie médicale (radiographie, CT-scan et TEP) pour produire des images détaillées du corps humain. De petites quantités d’isotopes radioactifs, appelés radiotraceurs, peuvent être administrées à un patient. Le radiotraceur spécifique s’accumule dans une zone spécifique du corps et émet un rayonnement qui peut être détecté afin d’obtenir des images plus détaillées. Des isotopes radioactifs peuvent également être administrés en traitement. L’iode 131 est souvent utilisé comme traitement du cancer de la thyroïde. L’iode est absorbé par la thyroïde et libère de l’énergie sous forme de rayonnements bêta et gamma qui peuvent détruire les cellules thyroïdiennes proches.

Exemple 5: Identifier les applications pratiques des rayonnements ionisants

Les rayonnements ionisants ont de nombreuses applications pratiques. Dans lequel des dispositifs ou procédés suivants on n’utilise pas de rayonnement ionisant ? 

1. les détecteurs de fumée
2. l’imagerie médicale
3. les radars
4. la désinfection des instruments médicaux
5. l’irradiation des aliments

Réponse

L’américium 241, une source de particules alpha, est couramment utilisé dans les détecteurs de fumée. L’imagerie médicale utilise souvent des rayons X, des rayons gamma et des traceurs radioactifs. Un radar est un système de détection qui utilise des ondes radio. Les instruments médicaux peuvent être désinfectés, et les aliments peuvent être irradiés par des rayons gamma ou des rayons X.

En regardant le spectre électromagnétique, nous pouvons séparer le rayonnement en un rayonnement ionisant et un rayonnement non ionisant dans le domaine ultraviolet.

Nous pouvons voir que les rayons gamma et les rayons X sont des formes de rayonnement ionisant, tandis que les ondes radio sont une forme de rayonnement non ionisant. Le rayonnement ionisant comprend également le rayonnement alpha, bêta et le rayonnement de neutrons. Par conséquent, la seule application qui n’utilise pas de rayonnement ionisant est le radar. La bonne réponse est C.