vignette|Pictogramme signalant la présence de matière radioactive. (☢) vignette|La maison de Georges Cuvier, au Jardin des plantes de Paris, où Henri Becquerel découvrit la radioactivité en 1896.
La radioactivité est le phénomène physique par lequel des noyaux atomiques instables (dits radionucléides ou radioisotopes) se désintègrent spontanément en d'autres noyaux en émettant simultanément des particules de matière (électrons, noyaux d'hélium, neutrons) et de l'énergie (photons et énergie cinétique). La radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel dans le cas de l'uranium, et très vite confirmée par Pierre et Marie Curie pour le radium. C'est cette dernière qui introduit à cette occasion les termes de radioactivité et radioélément..
L'émission de particules matérielles et immatérielles est appelée rayonnement, et l'énergie des particules est suffisante pour entraîner l'ionisation de la matière traversée, d'où le nom de rayonnements ionisants. On distingue classiquement les rayons α constitués de noyaux d'hélium (également appelés particules α), les rayons β constitués d'électrons ou de positons (particules β ou β) et les rayons γ constitués de photons, auxquels il faut ajouter les neutrons qui dérivent des fissions spontanées.
Les effets sur un organisme vivant d'une exposition aux rayonnements ionisants (irradiation) dépendent du niveau et de la durée de l'exposition (aiguë ou chronique), de la nature du rayonnement ainsi que de la localisation de la radioactivité (exposition externe, interne, en surface).
Les rayonnements provenant de substances radioactives sont largement utilisés dans l'industrie pour le contrôle de pièces manufacturées, les soudures, l'usure, et en médecine nucléaire à des fins de diagnostic à faible dose, et à des fins thérapeutiques à forte dose pour soigner les cancers. Lors des différents usages de la radioactivité, il convient naturellement de suivre les mesures de prévention, de protection et de contrôle adaptées au niveau de radioactivité.
Histoire Mise en évidence et explication de la radioactivité
La radioactivité fut observée pour la première fois par Abel Niépce de Saint-Victor en 1857 puis redécouverte en 1896 par Henri Becquerel (1852-1908), lors de ses travaux sur la phosphorescence : les matières phosphorescentes émettent de la lumière dans le noir après exposition à la lumière, et Becquerel supposait que la lueur qui se produit dans les tubes cathodiques exposés aux rayons X pouvait être liée au phénomène de phosphorescence. Son expérience consistait à sceller une plaque photographique dans du papier noir et mettre ce paquet en contact avec différents matériaux phosphorescents. Tous ses résultats d'expérience furent négatifs, à l'exception de ceux faisant intervenir des sels d'uranium, lesquels impressionnaient la plaque photographique à travers la couche de papier.
Cependant, il apparut bientôt que l'impression de l'émulsion photographique n'avait rien à voir avec le phénomène de phosphorescence, car l'impression se faisait même lorsque l'uranium n'avait pas été au préalable exposé à la lumière. Par ailleurs, tous les composés d'uranium impressionnaient la plaque, y compris les sels d'uranium non phosphorescents et l'uranium métallique. De plus, les physiciens et montrent dès 1898 que le phénomène n'est sensible ni à la température, ni à la pression ni à un bombardement d'électrons..
À première vue, ce nouveau rayonnement était semblable au rayonnement X, découvert l'année précédente (en 1895) par le physicien allemand Wilhelm Röntgen (1845-1923). Des études ultérieures menées par Becquerel lui-même, ainsi que par Marie Curie (1867-1934) et Pierre Curie (1859-1906), ou encore par Ernest Rutherford (1871-1937), montrèrent que la radioactivité est nettement plus complexe que le rayonnement X. En particulier, ils découvrirent qu'un champ électrique ou magnétique séparait les rayonnements « uraniques » en trois faisceaux distincts, qu'ils baptisèrent α, β et γ. La direction de la déviation des faisceaux montrait que les particules α étaient chargées positivement, les β négativement, et que les rayonnements γ étaient neutres. En outre, la magnitude de la déflexion indiquait nettement que les particules α étaient bien plus massives que les β.
En faisant passer les rayons α dans un tube à décharge et en étudiant les raies spectrales ainsi produites, on pouvait conclure que le rayonnement α est constitué d'hélions, autrement dit de noyaux d'hélium (He). D'autres expériences permettaient d'établir que les rayons β sont composés d'électrons comme les particules dans un tube cathodique, et que les rayons γ sont, tout comme les rayons X, des photons très énergétiques. Par la suite, on découvrit que de nombreux autres éléments chimiques ont des isotopes radioactifs. Ainsi, en traitant des tonnes de pechblende, une roche uranifère, Marie Curie réussit à isoler quelques milligrammes de radium dont les propriétés chimiques sont tout à fait similaires à celles du baryum (ces deux éléments chimiques sont des métaux alcalino-terreux), mais qu'on arrive à distinguer à cause de la radioactivité du radium.
En 2024, des désintégrations α sont détectées individuellement grâce au recul de billes de silice contenant le radioisotope, de taille micrométrique. La détection du minuscule recul d'un objet plus de fois plus massif que les particules émises est rendue possible grâce à des techniques d'opto-mécanique en lévitation. La mesure est sensible à toutes les particules émises lors de la désintégration, y compris les particules neutres qui pourraient échapper à la détection par les techniques existantes. L'observation d'un changement dans la charge nette de la bille coïncidant avec le recul permet d'identifier les désintégrations avec un bruit de fond de l'ordre du ...
Mise en évidence des dangers de la radioactivité vignette|redresse=0.75|« Poudre Tho-Radia, à base de radium et thorium, selon la formule du Alfred Curie […] ». Les dangers des rayonnements ionisants pour la santé ne furent pas immédiatement reconnus. Ainsi, Nikola Tesla (1856-1943), en soumettant volontairement en 1896 ses propres doigts à une irradiation par des rayons X, constata que les effets aigus de cette irradiation étaient des brûlures qu'il attribua, dans une publication, à la présence d'ozone. D'autre part, les effets mutagènes des radiations, en particulier les risques de cancer, ne furent découverts qu'en 1927 par Hermann Joseph Muller (1890-1967). Avant que les effets biologiques des radiations ne soient connus, des médecins et des sociétés attribuaient aux matières radioactives des propriétés thérapeutiques : le radium, en particulier, était populaire comme tonifiant, et fut prescrit sous forme d'amulettes ou de pastilles. Marie Curie s'est élevée contre cette mode, arguant que les effets des radiations sur le corps n'étaient pas encore bien compris. Durant les années 1930, les nombreuses morts qui ont semblé pouvoir être reliées à l'utilisation de produits contenant du radium ont fait passer cette mode et, actuellement, la radiothérapie n'est appliquée qu'à bon escient dans les hôpitaux, notamment pour soigner des cas de cancers avérés ou, éventuellement, d'autres maladies graves.
Désintégration nucléaire
La « désintégration » (en physique, elle correspond à la transformation de la matière en énergie) d'un noyau radioactif peut entraîner l'émission de , β ou β. Ces désintégrations sont souvent accompagnées de l'émission de photons de haute énergie ou , dont les longueurs d'onde sont généralement encore plus courtes que celles des rayons X, étant de l'ordre de ou inférieures. Cette émission gamma ( ) résulte de l'émission de photons lors de transitions nucléaires : du réarrangement des charges internes du noyau nouvellement formé, ou bien de la couche profonde du cortège électronique perturbé, à partir de niveaux d'énergie excités avec des énergies mises en jeu de l'ordre du MeV.
vignette| Différents modes de désintégration radioactive, représentés dans le tableau N-Z (N = nombre de neutrons, Z = nombre de protons) : radioactivités α, β et β, capture électronique ε, émission de neutron n et émission de proton p.
Les principaux modes de désintégration sont la désintégration α, la et la . D'autres modes concernent surtout des nucléides synthétiques : la , l'émission de neutrons, l'émission de protons et la fission spontanéeCette terminologie est indiquée par exemple dans l'ouvrage de J.P. Sarmant (1988) : Dictionnaire Hachette de Physique, Hachette, Paris... Par ailleurs la , qui n'est pas due à une désintégration à proprement parler mais à une transition nucléaire, accompagne souvent les différents modes de désintégration.
La désintégration α (alpha) se caractérise par l'émission d'un noyau d'hélium 4, qualifié dans ce contexte de . Le noyau radioactif , de numéro atomique Z et de nombre de masse A, se transforme alors en un noyau atomique , décalé donc de deux cases vers la gauche et de deux cases vers le bas dans le (figure ci-contre) : ⟶ + . La particule α, de charge 2 (où désigne la charge élémentaire), emporte sous forme d'énergie cinétique une fraction de l'énergie de masse libérée par la désintégration.
La désintégration β (bêta moins) se caractérise par l'émission d'un électron (particule β), mais aussi par celle d'un antineutrino électronique (conservation du nombre leptonique). Dans , un neutron s'est transformé en proton : le noyau garde la même masse atomique mais son numéro atomique est incrémenté de 1 (dans le , il se décale d'une case vers la gauche et d'une case vers le haut) : ⟶ + + .
La désintégration ε (epsilon), ou capture électronique, est la capture par le noyau d'un électron de son cortège électronique, qui s'accompagne de l'émission d'un neutrino électronique (conservation du nombre leptonique). Dans , un proton s'est transformé en neutron : le noyau garde la même masse atomique mais son numéro atomique décrémenté de 1 (dans le , il se décale d'une case vers la droite et d'une case vers le bas) : + ⟶ + .
La désintégration β (bêta plus) se caractérise par l'émission d'un positon (particule β), mais aussi par celle d'un neutrino électronique (conservation du nombre leptonique). Dans , un proton s'est transformé en neutron : le noyau garde la même masse atomique mais son numéro atomique est décrémenté de 1, comme pour la : ⟶ + + .
L'émission de neutrons se caractérise par l'émission d'un ou plusieurs neutrons. Le noyau garde le même numéro atomique mais sa masse atomique diminue d'une ou plusieurs unités (dans le , il se décale d'autant de cases vers la gauche qu'il y a de neutrons émis) : ⟶ + . Le nombre peut être égal à 1 (exemples : , , ), à 2 ( , ), à 3 ( ) ou à 4 ( , ).
L'émission de protons se caractérise par l'émission d'un ou deux protons. Le numéro atomique et la masse atomique du noyau diminuent d'une ou deux unités (dans le , il se décale d'autant de cases vers le bas qu'il y a de protons émis) : ⟶ + . Le nombre peut être égal à 1 (exemples : , , ) ou à 2 ( , ).
La fission spontanée se caractérise par la fragmentation du noyau en au moins deux noyaux plus légers, accompagnée par l'émission d'un ou plusieurs neutrons. La radioactivité (gamma).
vignette|Table des isotopes par processus majoritaire de désintégration radioactive.