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Qu’y a-t-il d’extraordinaire à la radioactivité naturelle ?

samedi 4 juillet 2015, par Robert Paris

Qu’y a-t-il d’extraordinaire à la radioactivité naturelle ?

Le terme radioactivité signifie que c’est une activité de la matière (agissant par elle-même) qui provoque du rayonnement (radium) …

A l’origine, radioactivité désigne l’émission spontanée d’un rayonnement par une substance dite radioactive, c’est-à-dire dont le noyau des atomes est instable. Par la suite, on désignera aussi par radioactivité l’émission provoquée artificiellement afin de rendre des noyaux instables et de les amener à émettre du rayonnement.

Observez le film de la radioactivité de l’uranium

Qu’est-ce que la radioactivité, le film

La radiochimie, le film

La radioactivité est la propriété qu’ont certains noyaux d’atomes de se désintégrer de manière naturelle et spontanée, pour donner un autre élément, en émettant des particules ou des rayonnements électromagnétiques. Dans ce cas la radioactivité est naturelle. Elle peut être artificielle lorsque l’on bombarde les noyaux des atomes.

La radioactivité naturelle a des rôles fondamentaux dans la nature, notamment pour l’émission d’énergie par les étoiles et pour l’émission d’énergie par le centre de la Terre.

La radioactivité n’est pas une découverte récente et bien des nouveautés qu’elle révèle ne sont pourtant pas acquises dans le grand public. En effet, elles posent bien plus que des problèmes techniques ou sceintifiques, des problèmes philosophiques.

C’est la plus révolutionnaire des découvertes physiques, pourtant multiples et fondamentales, des années 1895 à 1905 comme le dit Emilio Segré dans « Les physiciens modernes et leurs découvertes » :

« 1895 et les années suivantes marquent un tournant décisif dans la physique, non seulement à cause de la découverte des rayons X, de l’électron et de l’effet Zeeman, mais également à cause de celle, plus révolutionnaire encore, de la radioactivité. »

La radioactivité, phénomène fut découverte en 1896 par Henri Becquerel sur l’uranium. En 1896, Becquerel découvrit la radioactivité par accident, alors qu’il faisait des recherches sur la fluorescence des sels d’uranium. Sur une suggestion d’Henri Poincaré, il cherchait à déterminer si ce phénomène était de même nature que les rayons X. C’est en observant une plaque photographique mise en contact avec le matériau qu’il s’aperçoit qu’elle est impressionnée même lorsque le matériau n’a pas été soumis à la lumière du Soleil : le matériau émet son propre rayonnement sans nécessiter une excitation par de la lumière. Ce rayonnement fut baptisé hyperphosphorescence. Il annonce ses résultats le 2 mars 1896, avec quelques jours d’avance sur les travaux de Sylvanus Thompson qui travaillait en parallèle sur le même sujet à Londres. En 1897, Marie Curie choisit ce sujet pour sa thèse de doctorat. Elle révèle les propriétés ionisantes de ce rayonnement puis, avec son époux Pierre Curie, découvre les éléments chimiques qui en sont à l’origine. Elle rebaptise cette propriété radioactivité. En 1903, après la découverte du polonium et du radium en 1898 par Marie et Pierre Curie, Becquerel reçoit la moitié du prix Nobel de physique. Aujourd’hui Becquerel est cependant un quasi inconnu du grand public alors qu’il a été à l’origine d’une révolution.

Pierre et Marie Curie soulignent, au congrès de Paris en juillet 1900 : « La spontanéité du rayonnement est une énigme, un sujet d’étonnement profond. Quelle est la source de l’énergie des rayons de Becquerel ? Faut-il la chercher dans les corps radioactifs eux-mêmes ou bien à l’extérieur ? »

L’autre moitié du Nobel est remise aux époux Curie) « en reconnaissance des services extraordinaires qu’il a rendus en découvrant la radioactivité spontanée ». Tout est dans ce « spontané ». Tout l’étonnement en particulier.

Eh oui ! C’est spontanément que la matière, non sollicitée de l’extérieur par une action, humaine ou pas, se met à émettre des particules ou des rayons avec une incroyable énergie : des particules alpha sont émises par exemple à des vitesses trois quart de la vitesse de la lumière, ce qui suppose une énergie gigantesque.

Et ce n’est pas le seul point extraordinaire…

L’un des points remarquables est qu’il s’agit d’une transmutation des éléments qui se produit spontanément, contredisant la croyance en la stabilité de la matière du moment que l’on n’agit pas sur elle de l’extérieur. Cela étonne parce que l’on imagine que les atomes sont fixes, inchangés, la détermination de chaque élément chimique (hydrogène, hélium, oxygène, carbone, etc.) dans l’atome devrait être immuable. Et on s’aperçoit qu’il n’en est rien.

Le troisième point à souligner et qui n’est pas sans étrangeté, c’est que la matière se transforme en énergie !!

Ce que révèle la radioactivité sur la structure de la matière, c’est non seulement que la matière ne s’oppose pas diamétralement à l’énergie, qu’ils s’échangent sans cesse, mais qu’ils le font spontanément, sans intervention extérieure.

Tous les jours, on entend parler dans les média du secteur du radioactif ou du nucléaire (centrales nucléaires, bombe atomique, IRM, Spectrographie par résonance magnétique, Curie thérapie, mesure des temps par radioactivité, images tomographiques par radioactivité, traceurs radioactifs en médecine, datation par radioactivité des éléments, etc), ce qui est une autre manière de parler de la même chose mais le grand public est loin d’en comprendre les conséquences fondamentales. Il confond le nucléaire avec une énergie produite par l’homme alors que la radioactivité est naturelle et spontanée à la matière. C’est tout à fait spontanément que la matière émet de manière radioactive. Ce n’est pas un phénomène marginal ni une curiosité mais un phénomène fondamental, lié directement à la structure même de la matière… Attention : il ne s’agit pas, par un tel discours, de banaliser les risques du nucléaire artificiel !!! C’est pourtant ce que l’on lit souvent sous la plume de scientifiques qui sont de parti pris pour le nucléaire produit par l’homme alors qu’ils doivent reconnaître être parfaitement incapables encore de maîtriser cette énergie comme l’ont bien montré Tchernobyl, Fukushima et Three Miles Island, dans trois parties différentes du monde !

Cependant, il faut remarquer que la radioactivité existe sans intervention humaine, elle est spontanée et naturelle. Elle est à la base de l’énergie calorifique du noyau de la Terre, source de la fusion intérieure et de l’énergie des diverses de l’écorce terrestre, des tremblements de terre et de la tectonique des plaques.

Elle est aussi à la source de l’énergie des étoiles.

Les éléments chimiques ont tous été produits par des réactions nucléaires au sein des étoiles et tous proviennent à l’origine de l’hydrogène. voir ici

Les radiations émises par la Terre en uranium et thorium (54 %) et les rayons cosmiques (11 %) représentent à eux seuls 65 % des radiations que l’homme reçoit par an. Du moins normalement, si l’homme n’a pas subi des dégâts produits sur sa santé par l’activité du nucléaire d’origine humaine, comme à Tchernobyl ou à Fukushima !!!

Il y a deux types de phénomènes naturels qui sont source de radioactivité : la décomposition d’un noyau d’atome instable ou la fusion de deux noyaux d’atomes.

Dans les deux cas, c’est une énergie énorme relativement à la petitesse des noyaux des atomes et de leurs masses.

La radioactivité est un phénomène physique naturel au cours duquel un noyau atomique se transforme spontanément en un autre noyau, en émettant au passage une (ou plusieurs) particules.

Par exemple, du potassium se transforme en calcium en émettant un électron (et un antineutrino). On parle souvent de désintégration, mais le mot est trompeur car le noyau est plus solidement lié après la transmutation qu’avant.

La radioactivité serait resté une simple curiosité de laboratoire si les particules émises au cours de ce phénomène ne possédaient pas une énergie considérable : cette énergie peut être maîtrisée, mais elle peut également provoquer des ravages. Elle est présente depuis des milliards d’années autour de nous : la radioactivité vient pour 2/3 du sol et de l’air ambiant et pour 1/3 des utilisations médicales en imagerie et en radiothérapie.

Le premier point qui étonne est que la radioactivité est spontanée dans la matière. Cela renverse bien des croyances.

C’est au point que le Centre de l’Energie atomique ressente le besoin de définir la radioactivité en débutant par « La radioactivité n’a pas été inventée par l’homme. » dans sa première phrase. voir ici

Cette définition rajoute :

« Certains atomes ont des noyaux instables, ce qui est dû à un excès soit de protons, soit de neutrons, ou encore à un excès des deux. Ils sont dits radioactifs et sont appelés radio-isotopes ou radionucléides. »

En effet, ces atomes possèdent trop de protons et/ou trop de neutrons : ils sont dits « instables ». La radioactivité est l’énergie que dépensent ces atomes pour modifier peu à peu leur noyau (pour se « désintégrer ») et atteindre un état stable. De tels atomes sont appelés « radionucléides » ou « radio-isotopes ». On en dénombre plus de 2 500.

De très nombreuses techniques reposent sur la radioactivité et pourtant, le grand public n’a pas vraiment changé, en fonction de cette découverte, sa manière d’apprécier la matière, comme le signale Jean-Marc Cavedon dans son ouvrage « La radioactivité » dans la collection Flammarion :

« Même avec l’aide des détecteurs de particules et de rayonnement, qui suppléent nos sens défaillants et en étendent la portée, et malgré un siècle de discours dithyrambiques ou inquiets, le monde de la radioactivité nous reste quelque peu étranger, et peut-être pour bien des gens est-il même imaginaire. Pour ces personnes, le monde quotidien, le « vrai », est fait de matière stable, durable et même éternelle, où « rien ne se crée, rien ne se perd », dans un cadre immuable. La matière, l’énergie, le temps et l’espace sont des catégories bien nettes que l’honnête homme sait distinguer. Les éléments chimiques gardent sagement leur identité, et l’évolution ne saurait concerner la matière, puisqu’elle est inerte. (…) Il nous faudra accepter que la matière et l’énergie ne soient que les deux faces d’une même entité… La physique nous raconte une histoire où, à sa manière, la matière naît, vit et meurt… La matière passe par des états étrangers à nos sens et qui heurtent notre intuition… »

Lorsque Pierre et Marie Curie ont commencé à s’interroger sur l’origine de la radioactivité, la structure de l’atome leur était inconnue. Pourtant, ils pressentaient que ce phénomène était d’origine nucléaire, comme en témoigne l’article qu’a publié Marie Curie en 1899 dans la R evue générale des sciences : « L’atome, indivisible au point de vue chimique, est divisible ici, et les sous-atomes sont en mouvement ». En effet, l’origine de l’instabilité des noyaux radioactifs est étroitement liée à sa cohésion.

Les nucléons les neutrons et les protons sont liés entre eux par une force attractive, appelée « interaction nucléaire forte ». Sa portée est très courte, de l’ordre du femtomètre 10-15m, c’est-à-dire l’ordre de grandeur d’un nucléon. Une autre force, antagoniste de la précédente, agit également dans le noyau : la répulsion coulombienne. Elle tend à repousser deux particules dont la charge électrique est de même signe. Les protons, chargés positivement, sont ainsi éloignés les uns des autres. En revanche, les neutrons, électriquement neutres, ne subissent pas cette force.

La radioactivité ne concerne que le noyau des atomes et pas les électrons (contrairement aux réactions chimiques). Elle produit un dégagement de chaleur très supérieur à celui d’une réaction chimique. L’énergie chimique est celle des liaisons entre nuages électroniques alors que l’énnergie nucléaire est la transformation de matière en énergie sur la base de la relation d’Einstein E=mc². Quand il y a radioactivité, il y a perte de masse…

La radioactivité détruit ainsi les barrières que l’on pensait établies entre matière et énergie, entre lumière et matière, entre syabilité et instabilité, entre processus naturels et artificiels, etc.

Le nucléaire vient du mot « noyau » (il s’agit de la masse centrale de l’atome) ainsi que des éléments qui composent ce noyau appelés les « nucléons », c’est-à-dire protons et neutrons.

La difficulté de stabiliser les noyaux peut provenir des protons comme des neutrons. Les protons posent en particulier le problème de compenser leur répulsion électrique.

Il existe trois formes de rayonnement issus de la radioactivité naturelle :

• les rayonnements alpha : particules émises par des atomes radioactifs lors de leur désintégration, elles se caractérisent par une pénétration très faible dans l’air : une feuille de papier suffit à les arrêter ;

• les rayonnements bêta moins : électrons de pénétration faible, pouvant parcourir quelques mètres mais bloqués par une feuille d’aluminium de quelques millimètres ;

• les rayonnements gamma : ondes électromagnétiques très énergétiques, dotées d’une forte capacité de pénétration, capables d’atteindre quelques centaines de mètres. Pour les arrêter, une épaisse cloison de béton ou de plomb est nécessaire ;

Jean-Marc Cavedon dans son ouvrage « La radioactivité » dans la collection Flammarion :

« Il existe une radioactivité naturelle à laquelle il est vain de vouloir se soustraire et dans laquelle notre espèce baigne depuis sont apparition. Cette radioactivité fluctue largement selon les lieux, en fonction des types de sol et de l’altitude. Elle provient à la fois du sol et de l’espace. La majeure partie de la radioactivité naturelle vient de la présence dans la croûte et le manteau terrestres de thorium 232 (cent soixante mille milliards de tonnes), d’uranium 238 (un demi milliard de milliard de tonnes) et dans une moindre mesure d’uranium 235 (350 milliards de tonnes). Le potassium, largement répandu sur Terre et essentiel à la vie, contribue via son isotope Potassium 40. (…) La moitié de la dose de radioactivité naturelle, soit 1,5 millisieverts par an (1), vient d’une seule source, le gaz radon 222. C’est le seul descendant radioactif de l’uranium 238 qui soit gazeux, ce qui lui permet de remonter en surface. »

(1) Une dose de un sievert est un bon ordre de grandeur pour qualifier une irradiation accidentelle (externe, et du corps entier) de « dangereuse » pour la victime, justifiant un suivi médical particulier par la suite :

Un autre point est renversant sur la radioactivité. Celle-ci obéit à des lois qui ne permettent pas de prédire ce qui va arriver à un noyau atomique instable particulier. On a une idée très précise de ce qui va arriver à un grand nombre de noyaux mais pas à un noyau particulier !

Les noyaux radioactifs connus ont une durée de vie comprise entre moins d’un millionième de seconde, et plusieurs milliards d’années. Il faut noter que ce temps ne peut être défini que statistiquement. On parle de « demi-vie » ou de « période radioactive » pour désigner le temps que mettra la moitié d’une population de noyaux instables identiques à se désintégrer.

On appelle « période radioactive » (ou demi-vie) T1/2 la durée au bout de laquelle le nombre de radionucléides présents dans l’échantillon est réduit de moitié.

Si l’on observe un échantillon de matière radioactive, au bout d’un temps T1/2, cet échantillon aura (par définition) perdu la moitié de sa matière, et il ne restera plus que la moitié de la matière initiale. Mais au bout de deux fois ce temps, la perte de matière supplémentaire ne porte plus que sur la moitié restante et non sur le total initial ; au bout de deux fois T1/2 il restera donc la moitié de la moitié de la matière initiale, c’est-à-dire le quart. De même, au bout de trois fois T1/2 il ne restera plus que 1/2^3 = 1/8ème de l’échantillon initial, et ainsi de suite. Au bout de dix fois cette demi-vie, l’activité aura été réduite par un facteur 2¹0=1024, sensiblement divisée par mille. T1/2 est la durée au bout de laquelle le nombre de radionucléides présents dans l’échantillon est réduit de moitié, mais la « vie » de l’échantillon est beaucoup plus grande que sa « demi-vie » : il reste toujours un peu de substance radioactive, même après un grand nombre de « demi-vies ».

La désintégration radioactive est aléatoire, on ne peut pas prévoir quand va se produire la désintégration d’un noyau.

Elle est spontanée, elle se produit sans aucune intervention extérieure. Elle ne dépend pas ni de son environnement chimique, de l’espèce chimique qui contient le noyau radioactif ; ni des conditions extérieures (pression ou température).

C’est une loi statistique (probabiliste) à laquelle obéissent les noyaux instables mais elle ne dit rien d’un seul noyau instable qui peut se décomposer à tout moment…

D’où vient ce caractère aléatoire ?

D’où vient cette imprédictibilité ?

Et surtout, d’où vient que le noyau se mette à émettre des particules ? Comment l’atome instable fait-il pour tirer brutalement des particules de son noyau avec une énergie folle alors qu’il est resté stable pendant parfois des milliards d’années ? La réponse est : du caractère quantique de la stabilité provisoire du noyau.

Paul Davies écrit dans « Les forces de la nature » :

« Pour étudier l’émission alpha par un noyau lourd comme l’uranium 238, il faut se représenter la particule alpha (2) comme un ensemble déjà cohérent à l’intérieur du noyau, tentant de s’en échapper. Elle est retenue par la force nucléaire, mais si elle parvient à s’écarter suffisamment, celle-ci disparaîtra en raison de son caractère de force à courte portée. D’autre part, la particule alpha subit une répulsion électrostatique qui ne diminue que lentement avec la distance. La répulsion domine donc au-delà de la proximité immédiate de la surface nucléaire, et sert à éjecter la particule alpha. La compétition entre ces deux forces offre donc à la particule alpha une barrière invisible à franchir… Il y a donc un mystère : comment des particules n’ayant que 4,2 MeV d’énergie peuvent-elles franchir une barrière de 8,8 MeV ? La mécanique quantique résout ce mystère… La capacité des particules à traverser les barrières par effet tunnel est un phénomène quantique bien connu, exploité dans nombre d’appareils électroniques… Il est possible de calculer la probabilité qu’un noyau émette une particule alpha par effet tunnel. Evidemment, plus la particule alpha a d’énergie, plus la barrière sera basse et étroite. Cette énergie est déterminée par la structure quantique interne du noyau. Dans un noyau de thorium contenant 232 nucléons, il faut en moyenne 14 milliards d’années à une particule alpha de 4 MeV pour s’échapper. Par contre, un noyau de polonium avec 213 nucléons émet des particules alpha deux fois plus énergétiques en quelques microsecondes. La nature quantique de la désintégration alpha explique pourquoi les substances radioactives ont des durées de vie caractéristiques. Selon les idées quantiques, chaque émission d’une particule alpha est un événement purement aléatoire, mais avec une probabilité bien déterminée. Dans le cas de l’uranium, chaque noyau a 50 chances sur 100 de se désintégrer en 4,5 milliards d’années, et donc en moyenne la moitié des noyaux d’un échantillon d’uranium se sera désintégré au bout de ce laps de temps. Des 50% survivants, la moitié se désintégrera dans les 4,5 milliards d’années suivants, et ainsi de suite. Tous les 4,5 milliards d’années, la quantité d’uranium est divisée par deux, et cet intervalle de temps s’appelle donc la demi-vie. Bien que chaque noyau, individuellement, puisse mettre plus ou moins que cette durée pour se désintégrer, la demi-vie est une bonne mesure du comportement moyen. La durée moyenne qui s’écoule avant une désintégration est reliée à la demi-vie par la formule : demi-vie divisée par logarithme de 2. »

(2) Les particules alpha ou rayons alpha sont une forme de rayonnement émis par des noyaux instables de grande masse atomique. Elles sont constituées de deux protons et deux neutrons combinés en une particule identique au noyau d’hélium 4 (hélion) ; elles peuvent donc s’écrire He2+. Les particules alpha sont émises par des noyaux radioactifs comme l’uranium ou le radium par l’intermédiaire d’un processus nommé désintégration alpha.

La stabilité du noyau est assurée par l’interaction forte qui compense la répulsion électrique entre les protons.

Sous l’action de ces deux forces, certains noyaux sont stables (leurs durées de vie sont considérées comme étant infinie à l’échelle géologique) et d’autres sont instables (destruction spontanée au bout d’une durée plus ou moins grande).

Parmi les isotopes possibles d’un élément, seuls certains sont stables. Les autres se décomposent spontanément : ils sont radioactifs. Parmi les 350 noyaux naturels, 60 sont instables.

L’instabilité des noyaux atomiques est directement liée aux protons et aux neutrons qu’ils contiennent. Une décomposition a lieu si le noyau passe en dessous de l’équilibre neutrons-protons. Il y a instabilité si le nombre de neutrons passé en dessous du nombre de protons.

Aujourd’hui, il est établi qu’il existe trois sources de radioactivité naturelle. Tout d’abord, des noyaux présents depuis la formation de l’Univers. Ils peuvent avoir une demi-vie de plusieurs milliards d’années. L’âge de l’Univers n’étant « que » d’environ 15 milliards d’années, certains noyaux subsistent encore. On en dénombre 25. Les plus connus sont le potassium 40, le thorium 232, l’uranium 235, et l’uranium 238.

Ensuite, on compte des descendants de ces éléments, c’est-à-dire des noyaux qui résultent de leur désintégration, et qui eux-mêmes sont radioactifs. Ces éléments sont au nombre de sept, tous découverts entre 1898 et 1938, représentant une quarantaine d’isotopes radioactifs.

Enfin, une vingtaine de radioéléments sont fabriqués en permanence par action de rayonnements cosmiques sur les hautes couches de l’atmosphère. Les plus importants sont le carbone 14 et le tritium un isotope de l’hydrogène. L’exposition naturelle n’est pas dangereuse pour l’homme, contrairement aux expositions accidentelles à des sources artificielles car le nombre de désintégrations peut être alors plus important de plusieurs ordres de grandeur.

Pour conclure, redonnons la parole à Jean-Marc Cavedon :

« La radioactivité est un phénomène physique naturel, intimement lié à la substance même de la matière dont nous sommes faits. Les alchimistes seraient surpris d’apprendre à quel point leur intuition était vraie : la matière est transmutable. »

Ecrits de l’époque des découvertes de la radioactivité

Ecrits de Pierre Curie

Ecrits de Marie Curie

D’autres écrits

Messages

  • A l’origine de la radioactivité spontanée, il y a un phénomène aussi étonnant : au sein du noyau de l’atome, le proton se change en neutron, et inversement, de manière tout aussi spontanée et brutale !!!

    Les réactions permettant le passage entre neutron (n) et proton (p) sont les suivantes :

    n → p + e- + antineutrino + 782 keV

    p + 782 keV → n + positron + neutrino

    Le fondement de ces échanges est un changement entre deux quarks : up et down qui est tout aussi étonnant !

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