Les effets de la radioactivité
Jusqu’ici, nous avions pu nous contenter de parler des sources radioactives en comptant les rayons émis, sans nous préoccuper de leur devenir. Le becquerel nous suffisait, tant que les rayons ne pénétraient pas dans la matière. Il nous faut maintenant nous munir d’une unité de mesure de l’effet du rayonnement sur la matière. De même que la donnée de la puissance d’une ampoule électrique ne suffit pas à décrire la répartition de la lumière sur la zone éclairée, la donnée du débit de rayonnement en becquerels ne dit pas combien de particules atteindront un point donné. Il faut préciser la distance de la source à ce point et les éventuels écrans traversés. L’éloignement constitue d’ailleurs le moyen le plus efficace et le plus simple de se protéger des effets d’une source radioactive. Le flux de particules diminue en effet comme l’inverse du carré de la distance à la source. La géométrie étant connue, il nous faut ensuite préciser ce qui se passe lorsque la radioactivité pénètre dans la matière et la perturbe. L’organisation des êtres vivants étant très complexe, il nous faudra regarder plus en détail comment les rayons perturbent les cellules et les tissus organiques. Mais les premiers dérangés sont les rayons eux-mêmes !
La matière perturbe les rayons
La traversée de matière perturbe la trajectoire de la particule qui pénètre et l’amène à libérer son énergie dans le milieu traversé. Une particule voit la matière comme un immense jeu de bowling à trois dimensions, où les obstacles sont soit des plots très durs et presque inamovibles (les noyaux), soit des quilles très légères (les électrons liés aux noyaux). Les noyaux sont si petits qu’ils occupent une partie infime de l’espace, et que la probabilité de percuter un noyau est 1015 fois plus faible que celle de rencontrer des électrons. Les perturbations du rayonnement et de la matière dépendent surtout de la masse et de la charge électrique de la particule incidente. Il est donc commode de présenter les pertes d’énergie des particules selon quatre rubriques : celle des particules de masse et de charge électrique nulles (photons ÿ), celle des particules chargées lourdes (protons, a, ions lourds), celle des particules chargées légères (électrons) et enfin celle des neutrons massifs et électriquement neutres. Les photons y sont les particules les plus pénétrantes, car elles interagissent peu. A basse énergie, un photon est absorbé par un cortège d’électrons, qui est alors excité : c’est l’effet photoélectrique. A plus haute énergie, l’événement le plus fréquent est la diffusion Compton, où un photon percute un électron, l’éjecte et est lui-même diffusé hors de son trajet initial. Au-delà de 1 MeV, le photon a assez d’énergie pour créer une paire électron-positon. Ce phénomène de création de matière domine à très haute énergie.
Dans tous les cas, la matière retient une fraction du flux entrant, et le reste des photons continue intact. On mesure ce pouvoir d’absorption par la valeur de la couche de demi-atténuation X1/2 > c’est l’épaisseur de matière qui absorbe la moitié des photons. La valeur de X1/2 dépend à la fois de l’énergie des photons y et de la densité du matériau traversé. Pour des photons de 1 MeV, elle varie de 1 cm pour le plomb à 10 cm pour l’eau. Comme pour toute décroissance exponen¬tielle, on peut atténuer le flux de photons par un facteur aussi grand que l’on veut, sans jamais l’arrêter complètement. Pour s’en protéger, il suffit en pratique de réduire ce flux à une valeur inoffensive pour les organismes vivants. Pour ce faire, on interpose des écrans de plomb ou de verre au plomb de quelques centimètres entre la source et l’organe sensible.
Les particules chargées lourdes subissent au contraire un très grand nombre de collisions et perdent leur énergie. Ces particules sont en effet plusieurs milliers de fois plus lourdes que les électrons avec qui elles entrent en collision. Dans notre bowling microscopique, une boule très lourde est lancée sur des milliers de quilles. La boule va tout droit, chassant les quilles en tous sens, et ralentit peu à peu, jusqu’à épuiser toute son énergie sous l’effet de chocs multiples. Dans les cas rarissimes où elle rencontre un plot (un noyau), elle est brutalement déviée par le champ électrique. On a alors plutôt affaire à une partie de flipper…
Connaissant l’énergie initiale de la particule, on en déduit assez précisément la longueur de son parcours dans un matériau donné. Une particule a émise par le radium 226 (E = 4,8 MeV) parcourt 3,4 cm dans l’air et 35 micromètres (µm) dans la peau humaine. Elle est donc arrêtée dans l’épiderme, épais de 70 µm. Ce parcours est pratiquement le même pour toutes les particules de même énergie, et le flux de particules est nul au-delà de cette distance. La quasi-totalité des rayons a émis par les radioéléments est stoppée par une feuille de papier à cigarette. Les électrons devraient se comporter comme des particules a, mais leur masse est identique à celle de la cible. Avez-vous déjà joué au bowling avec des balles de tennis ? Outre que la petite taille du projectile aggrave fortement les problèmes de précision du lancer, vous ne vous attendez certainement pas à ce que la balle aille tout droit après le premier choc sur une quille. La balle ira disperser son énergie dans un volume assez vaste, sans que l’on ait l’espoir de décrire sa trajectoire précise. En fait, le problème du ralentissement des électrons est plutôt celui d’une balle de tennis lancée vers un tapis qui serait jonché de balles de tennis identiques. Au bout de quelques chocs, vous ne discernez même plus la balle que vous avez lancée !
Les électrons ont aussi tendance à émettre des photons, nous ramenant au problème ci-dessus. Dans le cas des électrons de haute énergie, on a plutôt affaire à des gerbes d’électrons et de photons au parcours complexe. De minces feuilles de métal suffisent le plus souvent à arrêter les rayons /3, mais elles sont aussi source d’émission de y, qu’il faut atténuer par ailleurs. Le cas des neutrons est encore tout autre. Pour eux, la matière n’est constituée que d’amas de nucléons espacés par des distances considérables : ils ne «voient» pas la charge électrique des électrons. La boule de bowling ne sera perturbée que si elle frappe les plots, et l’espace est essentiellement vide ! Les chocs sont rares, et lorsqu’ils ont lieu, ce sont les règles du billard qui s’appliquent. Les chocs ralentissent progressivement le projectile, et l’effet est d’autant plus grand que le projectile et la cible ont des masses voisines. Les ralentisseurs les plus efficaces de neutrons sont les protons, par exemple ceux des noyaux d’hydrogène de l’eau. Une fois bien ralentis, les neutrons sont capturés par les noyaux environnants. L’architecture d’un réacteur nucléaire est construite d’après ces règles : on alterne des zones de production de neutrons (combustible) et des zones de ralentissement (modérateur) qui amènent les neutrons aux énergies propices à la poursuite de la réaction en chaîne.
Vidéo : Les effets de la radioactivité
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