La radioactivité

Le terme de "radioactivité" a quelque chose d'un peu effrayant. On pense tous à Hiroshima, a des accidents de centrales nucléaires et au largage de fûts radioactifs dans l'océan. Si ce phénomène a des raisons de faire peur, il a aussi des raisons de fasciner. Quoiqu'il en soit, la radioactivité fait partie intégrante de la nature, et elle contribue à l'évolution de la vie sur Terre. Sans elle, nous ne serions probablement pas là pour en parler.

Le premier personnage à entrer en scène est sûrement Henri Becquerel. A peine quelques mois après la découverte des rayons X par Röntgen, il étudie certaines substances phosphorescentes en pensant quelles peuvent aussi émettre des rayons X. Pour cela, il les expose à la lumière du Soleil pour les "charger", puis les place sur une plaque photo protégée par du carton noir. La plaque noircit malgré le carton, c'est bon signe... Mais le ciel se couvre plusieurs jours, et Becquerel abandonne ses sels minéraux dans l'obscurité, près des plaques photos. Peu de temps après, il s'aperçoit qu'elles sont quand même noircies! Il en déduit alors qu'un nouveau rayonnement est émis spontanément par ses minéraux, des sels d'Uranium et de Thorium... La radioactivité se révèle au grand jour (il les baptise rayons uraniques au départ), nous sommes en 1896!

En 1898 Pierre et Marie Curie extraient de plusieurs tonnes de minerais d'uranium, des substances bien plus actives encore. Elles seront baptisées Radium et Polonium.

L'année suivante Rutherford montre l'existence de deux types de radioactivité: a et b. Peu de temps après, Villard découvre le rayonnement g, associé aux radioactivités précédentes.

En 1905, un certain Albert E fait surgir une relation qui deviendra un "best seller": E = m.c²

En 1909, Rutherford (encore lui...) découvre que les particules a ne sont rien d'autre que des noyaux d'hélium. Deux ans plus tard, il met en évidence, justement par une très belle expérience de diffusion de particules a, que les atomes contiennent un noyau. Mais de quoi est-il constitué?

Nous sommes en 1913, Niels Bohr comprend les rôles de chaque partie de l'atome: le noyau est la source de la radioactivité, le cortège d'électrons, lui, se consacre exclusivement aux réactions et liaisons chimiques. Entre les deux, il y a tout un monde...

1932: enfin on comprend la structure du noyau des atomes. C'est un mélange de protons et de neutrons. Ces derniers viennent d'être mis en évidence par Chadwick.

Nous sommes en 1934, Irène et Frédéric Joliot-Curie synthétisent les premiers isotopes d'éléments dégageant une nouvelle forme de radioactivité: b⁺ (la précédente devient alors la b^-). On la qualifie aussi parfois de radioactivité "artificielle".

En 1939, Hahn et Strassmann font une découverte qui aura une immense portée: l'Uranium peut se casser en deux morceaux, spontanément: c'est la fission.

Un long intervalle voit se développer les diverses applications: de la pile nucléaire à... la bombe nucléaire.

Une dernière étape majeure, 1964: les nucléons (protons et neutrons) ne sont plus des particules élémentaires! Elles sont constituées de Quarks (Gell-Mann et Zweig).

Maintenant que les jalons historiques sont replacés, jetons un oeil sur ce que l'on sait aujourd'hui de la radioactivité.

Ces phénomènes ne concernent que les noyaux des atomes, pas les nuages d'électrons. Ils surviennent lorsque certains de ces noyaux (dits isotopes instables) se transforment en d'autres noyaux. Ainsi, des atomes se changent en d'autres atomes: du carbone en azote, ou de l'uranium en plomb. Ce qui est totalement impossible par des voies chimiques, qui ne perturbent que l'environnement lointain des atomes, leur cortège d'électrons.

Un exemple de radioactivité alpha (a)

Le noyau d'Uranium se transforme en Thorium. Pour cela, il émet une particule a, qui n'est autre qu'un noyau d'Hélium. Vous remarquerez qu'il y a conservation du nombre de nucléons (238 = 4 + 234) et que le nombre de charges se conserve aussi (92 = 2 + 90).

Cette transformation ne concerne que les noyaux très lourds (de plus de 80 protons). On peut l'imaginer comme une cure d'amaigrissement particulièrement efficace... Il arrive souvent que les noyaux produits soient eux mêmes instables, et se désintègrent à leur tour. Par exemple, l'uranium finit par donner naissance à du plomb après une succession de désintégrations.

Les particules a sont déjà relativement grosses (du moins par rapport aux particules émises lors des autres types de radioactivité). Elles franchissent ainsi difficilement les obstacles. Votre peau est déjà un écran assez efficace.

Un exemple de radioactivité béta moins (b^-)

Ici, le célèbre "carbone 14" se transforme en azote (stable, donc, qui ne se désintégrera pas). Mais qu'est donc cette particule b^-? On s'est aperçu relativement vite qu'il s'agit d'un bête électron. Un électron, certes, mais qui vient du noyau! Là où il n'y en a pas... Donc, gros mystère, mais qui se comprend si on observe attentivement la transformation ci-dessus. En effet, on passe d'un noyau de 6 protons a un autre de 7 protons, sans toucher au nombre total de nucléon. C'est donc qu'un neutron s'est transformé en proton! Or, comme un neutron est neutre, il ne peut donner naissance qu'à une paire de particules: l'une positive (le proton), l'autre négative (l'électron). Ainsi, les noyaux qui subiront cette désintégration sont ceux qui ont un excès de neutrons.

Les particules b^- sont très petites (ce sont des électrons...), elles sont donc bien plus pénétrantes que les a. Pour les arrêter ou les diffuser efficacement, quelques millimètre d'aluminium par exemple, s'avèrent nécessaires.

Un exemple de radioactivité béta moins (b⁺)

Encore plus curieux... Vous êtes maintenant familiers de l'écriture de ces transformations, et vous avez deviné que l'atome de départ a cette fois-ci trop de protons. L'un d'eux se transforme en un neutron, et en une particule positive baptisée b⁺. Bien, il s'agit de quoi cette fois-ci? Un genre d'électron positif peut-être? Allons, soyons sérieux, ça n'existe pas... Si?... Et bien oui! C'est vous dire la surprise de leurs découvreurs: Ce b⁺ est un anti-électron (ou positon, ou encore positron), la première particule reconnue comme membre de la grande famille de "l'anti-matière"...

Que font un électron et un positron quand ils se rencontrent? Ils s'annihilent tout simplement, en libérant une grosse quantité d'énergie pure... La vie d'un anti-électron n'est pas bien longue dans notre monde d'électrons...

Les particules b⁺ étant rarissimes et sujettes à des désintégrations quasi immédiates dès qu'elles rencontrent un électron. Leur pouvoir de pénétration est ridicule. Mais les rayonnements émis lors de leurs destructions sont eux très pénétrants (rayons g), il faut quelques centimètres de plomb pour s'en protéger.

La radioactivité g ne constitue pas une émission de particules. Il s'agit d'un rayonnement de très courte longueur d'onde (plus courte encore que celle des rayons X), accompagnant les désintégrations radioactives décrites ci-dessus. Leur pouvoir de pénétration est, comme indiqué ci-dessus, très important.

Un exemple de fission d'atome

Dans certains cas rares, l'uranium peut se scinder en deux noyaux plus légers. La transformation est le plus souvent stimulée par une absorption de neutrons comme l'indique la réaction ci-dessus. On comprend alors que les 2 neutrons produits peuvent servir à déclencher 2 autres fissions, qui elles mêmes en feront 4 etc... Cette réaction en chaîne, non contrôlée, divergeant de façon exponentielle, mène à la bombe nucléaire. Si on la contrôle, en éliminant de la réaction le neutron produit en excès, on aura une réaction auto-entretenue, ayant un rythme de production énergétique constant. C'est alors le principe d'un réacteur nucléaire.

Ici, on se retrouve avec un peu toutes les formes de radioactivité vues précédemment, puisque les produits de fission sont eux-mêmes radioactifs...

La capture K (ou capture électronique): Un noyau capture un de ses propres électrons (niveau de coeur, ou couche K), il transformera ainsi un proton en un neutron, ce qui conduit au même résultat que lors de la radioactivité b⁺.

Et probablement d'autres, qu'il reste à découvrir car de probabilité très faible...

Ainsi, tous les rayonnements et particules émises lors de ces désintégrations peuvent s'avérer dangereuses pour un organisme vivant. De façon directe, par des brûlures, ou indirectes lorsque les molécules codant les reproductions des cellules seront modifiées et causeront des cancers, des leucémies... Il s'agit bien sûr ici d'exposition à des sources concentrées, rarement atteintes dans la nature. Et il est utile de se souvenir que certaines de ces affections peuvent justement être soignées par des "radiothérapies"...

Mais il est fort probable qu'il y ait aussi des effets bénéfiques: certaines mutations peuvent être stimulées par les effets radioactifs. La plupart ne sont pas viables, mais quelques unes eurent sans doute des succès reproductifs dans le passé. L'évolution et les modifications des espèces vivantes sont en partie dues aux erreurs de codage causées par les phénomènes radioactifs.

Le volcanisme et la tectonique des plaques n'existeraient plus depuis longtemps si le noyau de notre planète n'était pas réchauffé par les désintégrations de matériaux radioactifs.

La radioactivité, tout comme la gravitation ou autre comportement de la nature, n'est ni bonne ni mauvaise. Il y a des raisons de s'en méfier, et de réfléchir à ses utilisations. Nous pouvons tomber d'une montagne ou d'un escabeau, être irradié par des rayons cosmiques ou par une divergence incontrôlée de réacteur nucléaire. A nous de choisir et de gérer les risques acceptables en fonction de nos besoins.

Pour finir, il est possible sans grands frais de faire des observations pratiques sur la radioactivité, et même de la VOIR!...

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