Soleil, espace, éléments radioactifs… Les sources de rayonnement sont multiples.
Notre monde, un bain de rayonnements
L’homme est exposé aux rayonnements depuis son apparition sur Terre. Il est, par exemple, exposé aux rayonnements solaires, c’est-à-dire à la lumière visible provenant du Soleil, laquelle s’accompagne de rayonnements invisibles. Ce sont des ondes électromagnétiques : les rayons gamma, les rayons X, les ultraviolets, les infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio. L’atmosphère agit comme un filtre et certains n’atteignent pas la surface terrestre.
L’homme est également exposé à d’autres rayonnements invisibles qui proviennent de l’espace et du Soleil, connus sous le nom de rayonnements cosmiques. Ces rayonnements de très grande énergie (ondes et particules) sont capables de traverser d’épaisses couches de roches.
Le pouvoir pénétrant des rayonnements ionisants est variable selon leur nature.
Des rayonnements aux multiples facettes : pour le traitement d’objets d’art, la radiographie et dans un réacteur nucléaire.
© P.Stroppa/CEA
© PhotoDisc
© P.Allard/REA/CEA
Dans la nature, la plupart des noyaux d’atome sont stables, d’autres non. Ces derniers se transforment alors spontanément, et de façon irréversible, en d’autres atomes plus stables. Ces transformations successives, appelées désintégrations, s’accompagnent d’émissions de différents types de rayonnements : alpha, bêta et gamma (voir le dossier pédagogique sur
la radioactivité). Les rayonnements gamma sont des ondes électromagnétiques tandis que les rayonnements alpha et bêta sont des particules, respectivement un noyau d’hélium et un électron.
L’activité d’un élément radioactif, c’est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde dans une certaine masse de cet élément, est mesurée en becquerels. Parmi les rayonnements particulaires existent aussi les neutrons.
Les différents rayonnements ionisants
Les rayonnements les plus énergétiques transfèrent assez d’énergie aux électrons de la matière pour les arracher de leur atome. Les atomes ainsi privés de certains de leurs électrons sont alors chargés positivement. Les atomes voisins qui accueillent les électrons se chargent négativement. Les atomes chargés positivement ou négativement sont appelés ions. Les rayonnements capables de provoquer de telles réactions sont dits ionisants (voir schéma ci-dessus).
Les rayonnements ionisants regroupent :
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les rayonnements cosmiques,
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les ondes électromagnétiques les plus énergétiques, soit les rayonnements X et gamma.
Les rayons X peuvent être produits par un faisceau d’électrons envoyé sur une cible métallique. Ces électrons interagissent avec les électrons des atomes du métal, en émettant des rayons X.
Lors de leur désintégration, les atomes radioactifs émettent des rayons gamma.
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les rayonnements alpha, bêta plus et bêta moins (particules émises par des atomes radioactifs lors de leur désintégration),
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les neutrons libres qui sont surtout présents dans les réacteurs nucléaires ; ils sont émis, par exemple, lors de la fission d’atomes d’uranium 235 (voir le dossier pédagogique sur
le fonctionnement d’un réacteur nucléaire). Ils sont indirectement ionisants car c’est leur capture par les noyaux ou leur interaction avec ceux-ci qui génère des rayonnements gamma et/ou diverses particules. Les neutrons sont aussi présents aux altitudes de vol des avions longs courriers et subsoniques : ils participent à 30 % de la dose reçue par le personnel navigant.
Les autres rayonnements sont appelés
rayonnements non ionisants et comprennent les ondes électromagnétiques les moins énergétiques.
Pouvoir de pénétration des rayonnements ionisants
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Particules alpha. Pénétration très faible dans l’air. Une simple feuille de papier est suffisante pour arrêter les noyaux d’hélium.
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Particules bêta moins : électrons. Pénétration faible. Parcourent quelques mètres dans l’air. Une feuille d’aluminium de quelques millimètres peut arrêter les électrons.
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Rayonnements X et gamma. Pénétration très grande, fonction de l’énergie du rayonnement : plusieurs centaines de mètres dans l’air. Une forte épaisseur de béton ou de plomb permet de s’en protéger.
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Neutrons. Pénétration dépendante de leur énergie. Une forte épaisseur de béton, d’eau ou de paraffine arrête les neutrons.
La pénétration des rayonnements dans la matière
Par leur énergie,
les rayonnements ionisants sont pénétrants, c’est-à-dire qu’ils peuvent traverser la matière. Cependant,
le pouvoir de pénétration est différent pour chacun d’entre eux, ce qui définit des épaisseurs différentes de matériaux pour se protéger.
Au coeur de cette piscine de réacteur, la décroissance des noyaux radioactifs libère des électrons à une vitesse supérieure à celle de la lumière de l’eau, produisant l’effet Tcherenkov. © G.Lesénéchal/CEA
Mentionnons que les positons (rayonnements bêta plus) sont pratiquement absorbés sur place : un positon s’annihile avec le premier électron rencontré sur son passage en formant deux photons gamma, ce qui ramène le problème au cas du rayonnement gamma (voir schéma ci-dessus).
L'énergie absorbée par la matière
Lorsqu’un rayonnement pénètre la matière, il interagit avec elle et lui transfère de l’énergie. La dose absorbée par la matière caractérise ce transfert d’énergie.
L’unité de dose absorbée par la matière est le
gray (Gy) qui est équivalent à un
joule absorbé par kilogramme de matière (voir le dossier pédagogique sur l'énergie).