Emission du rayonnement gamma

La radioactivité est aussi générée artificiellement par l’homme (http1). Il y a 3 sources de la radioactivité artificielle: retombées globales, rejets contrôlés et situations accidentelles.

Les retombées globales regroupent celles provenant des essais atmosphériques d’armes nucléaires et celles générées par des accidents. Ces derniers ont engendré d’importantes contaminations radioactives de l’environnement [2].

Ce sont des gaz, liquides et autre substances rejetés lors du fonctionnement d’un réacteur nucléaire de base. Comme par exemples: le 3H, le 14C, les isotopes de l’iode, des gaz rares et quelques produits d’activation et de fission. Dans le domaine médical, la médecine nucléaire est aussi le principal contributeur de rejets dans l’environnement du fait de l’utilisation de sources liquides [2].

Il s’agit essentiellement de produits de fission et d’activation lors d’un accident sur un réacteur nucléaire [2]. Comme l’accident de Tchernobyl (en Ukraine), qui a eu lieu le samedi 26 avril 1986 suite à l’explosion du réacteur n°4 de la centrale nucléaire Lénine de Tchernobyl (http2). Un accident dans le transport des radionucléides médicaux pourrait aussi engendrer une contamination dans l’environnement.

La classification des rayonnements se fait soit suivant leur nature soit suivant leur interaction avec la matière.

On peut classifier les rayonnements en deux catégories selon leur nature: rayonnements électromagnétiques et rayonnements particulaires (http3).

Les rayonnements électromagnétiques sont des rayonnements monochromatiques dont leur vitesse de propagation dans le vide est constante et vaut: = 3. 108   . −1 [7]. Ils possèdent les caractéristiques suivantes:

– Masse    = 0;

– Fréquence ν =  −1 (Hz);

– Longueur d’onde dans le vide   =   .  (m);

– Nombre d’onde par unité de longueur   =  −1 (m-1);

– Pulsation   = 2    −1 (rad.s-1) (http4) étant la période en seconde ( ).

Ils possèdent aussi le caractère corpusculaire ou ondulatoire appelé dualité onde-corpuscule [8].

Les rayonnements particulaires englobent tous les rayonnements qui sont des émissions de particules légères ou lourdes chargées ou non. Ils possèdent les caractéristiques suivantes:

– Masse au repos   0 (kg);

– Vitesse   ⃗ (m.s-1);

– Masse cinétique=  0/√(1 − 22) (kg);

– Impulsion ou quantité de mouvement   ⃗ =   .   ⃗ (kg.m.s-1);

– Energie totale   =   . 2 (eV) (http3).

Selon leurs effets sur la matière, on a deux catégories de rayonnements:

On dit qu’un rayonnement est ionisant si son énergie est suffisante pour ioniser un atome.

Alors, tous les rayonnements ionisants possèdent une longueur d’onde < 100 (http3).

– Rayonnements γ:   < 1;

– Rayonnements X: 10−12 <  < 10−8   .

Les rayonnements non ionisants regroupent les rayonnements qui sont incapables d’ioniser un atome. Tous les rayonnements non ionisants possèdent une énergie inférieure à 13,6 eV donc ˃ 100 (http3).

– Radiations ultraviolettes (UV): 100<  < 400   donc 3,1   <  < 12,4  ;

– Radiations visibles: 400<  < 750   donc 1,6   <  < 3,1  .

On peut généraliser les émissions radioactives en 3 catégories: émission du rayonnement alpha, émission du rayonnement bêta et émission du rayonnement gamma.

Cette émission est obtenue par la désintégration des noyaux lourds dont le nombre de masse A > 200. Les particules émises sont des noyaux d’hélium stable [3]. La radioactivité alpha correspond alors à une réaction nucléaire qui se traduit par une équation du type:

Avec   le noyau père et   le noyau fils.

Exemple: La désintégration de l’uranium-238 en thorium-234 s’écrit: 238   → 234  ℎ + 4 (1.2)

A cause de la masse de la particule émise lors de cette désintégration radioactive, son pouvoir de pénétration est faible [9]. Elle peut habituellement être stoppée par une simple feuille de papier [3]. Cependant, elle est fortement ionisante.

La deuxième forme de désintégration radioactive consiste en l’émission d’une particule bêta.

On distingue deux types de rayonnement ß: les rayonnements ß- et les rayonnements ß+.

Les radionucléides avec un surplus de neutrons (situés à gauche de la courbe de stabilité) émettent un électron qui provient de la transformation d’un neutron en un proton et un antineutrino électronique suivant l’équation (http5): → + 0  + 0  ̅ (1.3)   +1−10

Exemple: La désintégration du brome 80 donne du krypton-80 d’après la réaction ci-après: 80   →80   + 0  + 0  ̅ (1.4) 3536−10

Les radionucléides avec un surplus de protons (situés à droite de la courbe de stabilité) émettent un positron qui provient de la transformation d’un proton en un neutron et un neutrino électronique suivant l’équation (http5):

→ + 0  + 0 (1.5)

  −1+10

Le positron est une particule de masse égale à celle de l’électron mais de charge électrique opposée.

Exemple: Le fluor-18 se désintègre en oxygène-18 d’après la réaction suivante:

18  →18  + 0  + 0 (1.6)

Cette particule bêta a une masse seulement de 0,7 % de celle de la particule alpha, mais une vitesse équivalente à 8/10ème de la vitesse de la lumière (http5). Elle pénètre donc plus profondément dans les tissus. Pour s’en protéger, on a besoin d’interposer une plaque de plexiglas de 1 cm d’épaisseur [3].

Dans certains processus de désintégration radioactive de type alpha ou bêta, le noyau fils est le plus souvent formé dans un état instable d’énergie plus élevée que celle de l’état fondamental (http6). Ce noyau fils se désexcite alors en libérant l’excédent d’énergie sous forme de rayonnement gamma. Ce dernier ne possède pas de charge électrique.

La réaction d’émission du rayonnement gamma s’écrit: →   + (1.7)

Exemple: L’argon-40 métastable se désexcite et donne de l’argon stable avec émission de rayonnement . 1840     → 1840   + (1.8)

Comme le rayonnement gamma est un photon sans masse, il se déplace alors à la vitesse de la lumière. Par conséquent, son pouvoir de pénétration est plus élevé (http5). On a besoin de matériaux plombiers ou de bétons pour arrêter ou atténuer ce genre de rayonnement [9].

La représentation des noyaux connus dans un graphe (N, Z) illustré par la figure 1 suivante permet de mettre en évidence la vallée ou ligne de stabilité, peuplée par les noyaux stables.

Avec

N: nombre de neutrons;

Z: nombre de protons.

– Au-dessous  des  noyaux stables,  on trouve  en bleu  les  noyaux trop riches  en  neutrons (voir figure 1). Ces noyaux reviennent vers la ligne de stabilité par désintégration β-, qui transforme au sein du noyau un neutron en proton.

– Au-dessus  des  noyaux  stables,  on trouve  en  rouge  les  noyaux  trop  riches  en  protons

(voir figure 1). Ces noyaux reviennent vers la ligne de stabilité par désintégration β+ ou par capture électronique, qui transforme au sein du noyau un proton en neutron.

– Les noyaux lourds riches en protons reviennent vers la ligne de stabilité par désintégration alpha (http7).

La radioactivité est un phénomène aléatoire. Donc, on ne connait jamais le moment où un noyau radioactif va se désintégrer. Pour mieux comprendre ce phénomène, la constante radioactive est considérée comme la probabilité que présente un noyau radioactif de se désintégrer pendant l’unité de temps.

Dans un échantillon de matière radioactive constitué de noyaux radioactifs d’une espèce donnée, le nombre de noyaux va décroître au cours du temps, et est noté   (  ). Si 0 est le nombre de noyaux initialement présents, on a la relation: ( ) =  . −  .  (1.9)

C’est la loi de décroissance radioactive.

La figure 2 ci-après montre la loi de décroissance exponentielle du nombre de noyaux N en fonction du temps t.

L’activité concerne seulement les noyaux radioactifs et non pas les noyaux stables.

On appelle activité, notée A(t), le nombre de désintégrations par unité de temps [10]. On calcule l’activité en multipliant la probabilité qu’à un noyau de se désintégrer par unité de temps par

le nombre de noyaux. ( )=  . ( )= 0. −  .  (1.10)

L’activité s’exprime en becquerel (Bq), qui correspond à la désintégration par seconde. Une autre unité est le curie (Ci) qui correspond à 3,7.1010 Bq (http7).

La période radioactive ou demi-vie T1/2 est le temps au bout duquel le nombre de noyaux initialement présents a été divisé par un facteur 2 ou réduit de moitié (http5).