Dans le monde physique il existe deux types d'atomes, les atomes nucléides dits stables, et les radionucléides dits instables.
Un atome est fait de 3 éléments qui le définissent, un nombre X de protons ( particules positives ) un même nombre de neutrons ( particules neutres ) et des particules négatives qui flottent autour, ils équilibrent les masses électriques on les appellent les électrons.
Dans la nature il est nécessaire d'apporter de l'énergie pour casser ou fusionner les atomes pour en former de nouveaux. Mais dans le cas des radionucléides les charges du noyau sont non stables, ils ont souvent un nombre de neutrons incorrects et l'équilibre des charges n'est plus assuré.
Cette surcharge électronique va alors déstabiliser l'atome qui va spontanément s'effondrer et libérer de la matière pour former de nouveaux atomes. La radioactivité est créée.
Cette désintégration se produit de façon, spontanée, c'est-à-dire que si un atome est surveillé il peut se désintégrer à tout moment voire jamais. Cependant, quand un très grand nombre d'atomes sont surveillés, la cadence de désintégration commence à former une tendance temporelle avec laquelle le nombre de désintégrations diminue, on peut alors établir la "demi-vie" des atomes qui correspond à une période avec laquelle le nombre d'isotopes radioactifs présent a été divisé par deux.
la transformation radioactive
Lorsque la désintégration se produit, pour que la transition nucléaire d'un atome à un autre ait lieu, des particules sont relâchées et sont distinguées autant dans leur structure que dans leur comportement.
- La particule alpha, est un noyau d'hélium 4, composé de deux protons, 2 neutrons et deux électrons arrachés à l'atome principal. c'est un fragment complet qui est projeté avec une forte énergie lors de la désintégration.
La particule alpha a une énergie forte qui va radicalement interagir avec la matière mais va donc parcourir une distance très faible et va se heurter à n'importe quelle barrière physique.
- La particule Bêta, peut se constituer d'élément positif ( positon, bêta + ) expulsé par l'atome suivi d'une modification de l'équilibrage de ce dernier par la capture d'un électron ou la modification de son équilibre.Il peut aussi être composé d'un électron ( bêta - ) éjecté après modification de l'atome.
Les particules Bêta sont électriquement chargées et modifient la matière qu'elles vont parcourir mais ne sont pas forcément arrêtés sur de courtes distances. Il faudra un matériau plus opaque pour les arrêter.
- Des émissions neutres, pour faire simple se composent essentiellement d'éléments non chargés électriquement comme les neutrons, les neutrinos, des protons qui se transforment en neutrons, deux atomes stables après une fission spontanée et équilibrée et d'autres particules élémentaires.
Sans vélocité importante ou énergie elles ne représentent pas la radioactivité mais entrent dans le processus.
- Les radiations Gamma, énergie libérée lors de l'effondrement de l'atome sous forme d'onde électromagnétique à haute fréquence et véloce dit photon.
Les photons émis dans les rayons X et Gamma sont très énergétiques et interagissent peu avec la matière. Capables de traverser la plupart des objets leur puissance ionise la matière, ils n'arrêtent jamais leur course mais leur énergie peut être dissipée par certains matériaux comme le plomb.
À noter également que l'impact de la radioactivité décroît à l'inverse du carré de la distance, ainsi, quand la distance avec la source est multipliée par deux, la quantité de radiation perçue est divisé par 4.
Toutes ces particules émanantes de l'atome qui vient de se diviser et de céder des éléments donnent produit à un nouvel atome qui a perdu soit en électrons, soit en protons, soit en neutrons et qui de ce fait perd ses propriétés.
On peut donc suivre sur le tableau périodique des éléments le tracé engendré par la transformation nucléaire en décalant du nombre d'éléments perdus. Ainsi les isotopes suivent une chaine de désintégration.
Dans le cas le plus parlant, l'uranium238, sa chaine de désintégration commence avec le plutonium242 produit dans l'univers par les fissions très lourdes, tous les 370000 ans la moitié des atomes se retrouveront transformés en Uranium238 par émission alpha, puis la moitié de ces derniers en Thorium234 au bout de 4 milliards d'années, au bout de 24 jours le thorium se transforme par radiation bêta en Protactinium234 puis en Uranium234 au bout d'une minute. Au cours des 302000 ans suivant l'Uranium vas se transformer en Thorium230 puis Radium226 et enfin en Radon222 par émission alpha. Le Radon avec une demi vie de 4 jours va se transformer en Polonium218 puis en Plomb214. Eventuellement Par une suite de double émission bêta puis une émission alpha le plomb214 instable va se transformer en plomb206 stable et mettre fin au processus de désintégration, il va passer par le Bismuth214, le Polonium214, le Plomb210, le Bismuth210 et le Polonium210.
Captation, Mesure, Danger
Il existe de nombreux moyens de capter la radiation, le plus utilisé est en mesurant l'énergie que transportent les produits de la désintégration nucléaire.
L'énergie que transportent les différentes particules est capables de modifier la matière et l'air dans lesquelles elles passent, en mettant deux conducteurs à haute énergie l'un à coté de l'autre, le passage entre les deux va ioniser l'air et permettre à une décharge électrique de se créer. On va donc compter le nombre les particules pour mesurer la radioactivité.
Le plus dangereux dans les radiations se trouve être l'ionisation que provoquent ces dernières, elle transforme l'état de la matière en créant des ions et en induisant des transformations et réactions chimiques qui déstabilisent un équilibre, détruisant des structures ou dérèglant des processus chimiques.
Quelle que soit la méthode de mesure il existe un nombre pour exprimer cette dernière.
En fonction des unités, elle exprime un objectif relatif à son impact et à ce que l'on veut étudier. Les principaux sont:
- Le Becquerels (Bq). Mesure directe de l'émission de particules durant une seconde. parfois rapporté à la masse d'un objet pesant 1kg, on l'exprime alors en Bq/kg. Cette unité de mesure permet de se rendre compte de la quantité d'émission produite d'un objet donné. C'est la principale mesure en minéralogie.
- Les Grays (Gy). Mesure de l'énergie directe reçue par une cible en joules par kilogramme, peut aussi être exprimée en débit par seconde. Cette unité de mesure permet de se rendre compte de la quantité d'énergie reçue par un objet depuis une source d'émission quelconque. C'est avec ses dérivés la principale utilisée en médicale.
- Le sievert (Sv). Dérivé du Grays, le sievert est une mesure de l'énergie directe reçue par une cible mais rapportée aux dégâts engendrés sur un corps humain et est souvent exprimé en débit. Cette unité de mesure permet de rendre compte de la dangerosité des doses reçues. C'est la principale utilisée en sciences biologiques.
Toutes les unités existantes sont interposables et peuvent être converties les unes aux autres tant que l'on connaît le type de particules reçues, leur nombre, et le receveur ou capteur. Souvent les appareils de mesure sont capables de faire la conversion en sievert.
Les doses reçues font état de diagrammes montant en débit ou en dose les effets et limites de précautions par rapport aux expositions radiologiques.
On a alors des ordres de grandeur pour tout produit émettant des radiations :
- Une banane émet via son potassium40 130Bq/kg, soit une dose de 120 nano Sv pour une banane de 150g (6.2nSv par Bq).
- Le granit émet 1kBq/kg, soit une émission moyenne annuelle de 2mSv annuellement pour une personne se promenant ( avec autres sources ).
- Le corps humain émet 120Bq/Kg.
- L'autunite, principal minéral d'uranium émet 86.4kBq/g
- Un vol en avion Paris New York donne au corps une dose de 0.44 mSv
- 1 jour dans la station spatiale internationale expose le corps à 1mSv.
- Une radio des poumons donne 0.1mSv alors qu'un scanner thoracique représente 10mSv
- Les doses dangereuses sont cancérigènes à partir de 100mSv, et commencent à être mortel pour la moité de la population 30 jours après une exposition de 4500mSv et fatale au-delà de 6000mSv.
Les expositions peuvent être exprimées en débits et affichent des limites théoriques pour exprimer un danger immédiat et non sur une dose totale reçue, elle s'exprime en sievert par heure :
- 0.25 microSievert/H représente la radioactivité naturelle maximale dite de fond.
- 0.50 microSievert/H représente la limite française publique sanitaire.
- 2 microSievert/H représente la limite à laquelle un travailleur de France a le droit de s'exposer.
- 5 microSievert/H représente un niveau de radiation anormal au-delà des expositions naturelles.
- 10 microSievert/H représente la limite à partir de laquelle le risque d'apparition de cancer devient non négligeable.
- 50 microSievert/H représente la limite à partir de laquelle un réel danger sur le corps humain est présent.
Prémunir un danger
Malgré tout ce qui a été indiqué ci-dessus, il n'est pas affolant de manipuler des produits radioactifs.
Dans la nature de nombreuses roches présentent des signes de radioactivité et il est plutôt rare de côtoyer des roches hautement radioactives laissées sans surveillance.
Néanmoins la contamination de roches est possible et les risques sanitaires peuvent être importants.
Hormis les conditions extérieures qui sont détaillées dans un autre document, la manipulation de roches radioactives dans les collections est assuré par quelques règles de précautions basiques.
- Il est important de notifier la présence d'un minéral radioactif dans une collection à l'aide de stickers ou pictogrammes. Ceci évite toute erreur de manipulation à une personne qui ne connaît pas la roche.
- De manière générale il ne faut pas manipuler des minéraux inconnus sans précaution de base.
- Il n'est pas nécessaire de confiner un minéral radioactif dans un caisson de protection, cependant il est important de placer le minéral radioactif dans une boîte fermée hermétiquement car sa décomposition émet des poussières et du radon qui à long terme devient dangereux.
- Le danger des radiations provient de la fréquence d'exposition et des quantités, il est donc important de ne pas manipuler fréquemment les minéraux en question.
- Lorsque vous manipulez un minéral radioactif il est important de se laver les mains pour éliminer toute trace de poussière ou de porter des gants jetables, d'éviter d'inhaler des particules en manipulant la pierre en extérieur et en surveillant qu'elle ne porte pas près de la bouche ou de nourriture.
- Il est important de ne pas briser ou tailler une roche radioactive car la structure de cette dernière protège en partie l'émanation de particules et abimer son intégrité propagera une importante quantité de particules.
- Enfin si vous travaillez avec des minéraux radioactifs, il est important de prendre toutes les précautions nécessaires pour confiner et contenir la propagation de matière radioactive et de se débarrasser de ces dernières via des organismes spécialisés pour éviter de futures contaminations quelle qu'en soient les raisons.
Finalement il est intéressant de manipuler des minéraux radioactifs car c'est un pan très intéressant et important de la minéralogie.
Les dangers autour du radioactif sont très limités tant qu'une attention de base est tenue et tant que l'exposition n'est pas abusive. Les membres extérieurs sont moins susceptibles de ressentir les effets des radiations.
La peau protégeant des effets principaux de la radiation il est nécessaire qu'une accumulation de particules finit ingérée ou inhalée pour devenir un danger potentiel, autrement les minéraux ne sont pas censés impacter la santé s'ils sont manipulés avec soin.
Finalement, la manipulation de minéraux radioactifs si elle est limitée ne présente à l'année pas plus de danger que l'environnement lui-même.
Utilisation de la radiation
Mis à part les utilisations courantes qui ne seront pas détaillées ici, la radiation naturelle a un enjeu particulier en géologie.
Vu que la demi-vie présente une désintégration constante de moitié, avec une valeur qui varie uniquement par le type d'isotopes étudiés, cela indique par effet inverse que la quantité d'isotopes présent à un temps T indique un temps écoulé par rapport ou depuis à un temps A.
Autrement dit, mesurer des isotopes emprisonnés dans un minéral ou roche, et le comparer à ce qu'il devrait en être par rapport à une constante présente sur terre nous donne des indications sur sa période de formation s'il est périssable ou depuis combien d'années il existe s'il est infini.
Les exemples les plus connus sont le carbone14 pour la datation du vivant avec une précision de l'ordre de 1000 ans que l'on peut comparer à la présence stable du carbone12, Le potassium-Argon qui sert dans la datation des roches magmatiques en comparant le ratio des deux éléments d'une précision sur des dizaines de millions d'années, l'uranium-thorium qui donne des précision entre 10000 et 350000 ans que l'on utilise en sédimentologie.
D'autres études sur les isotopes radioactifs peuvent également indiquer des périodes de formation en fonction des conditions environnementales de l'époque, cela sert tout aussi bien pour l'étude en minéralogie, en stratigraphie ou en paléontologie.
Plus atypique les niveaux de radiations et présences isotopiques permettent de retrouver des gisements ou confirmer des éléments extraterrestres, de prévoir des éruptions volcaniques ou encore d'étudier le passé de la terre et de sa surface au travers du temps.
