Le rayonnement alpha (α), constitué d’un noyau d’hélium 4 (4
He
) en mouvement rapide, est arrêté par une feuille de papier. Le rayonnement bêta (β), constitué d’électrons, est arrêté par une plaque d’aluminium. Le rayonnement gamma (γ), constitué de photons énergétiques, est éventuellement absorbé lorsqu’il pénètre dans un matériau dense. Le rayonnement neutronique (n) est constitué de neutrons libres qui sont bloqués par des éléments légers, comme l’hydrogène, qui les ralentissent et/ou les capturent. Non représentés : les rayons cosmiques galactiques qui sont constitués de noyaux chargés énergétiques comme les protons, les noyaux d’hélium et les noyaux fortement chargés appelés ions HZE.
Les chambres à nuages sont l’un des rares moyens de visualiser les rayonnements ionisants. Elles étaient principalement employées dans la recherche aux débuts de la physique des particules, mais restent aujourd’hui un outil pédagogique important.
Le rayonnement ionisant est catégorisé selon la nature des particules ou des ondes électromagnétiques qui créent l’effet ionisant. Ceux-ci ont des mécanismes d’ionisation différents, et peuvent être regroupés comme étant directement ou indirectement ionisants.
Directement ionisantsÉditer
Toute particule chargée de masse peut ioniser les atomes directement par interaction fondamentale à travers la force de Coulomb si elle porte une énergie cinétique suffisante. Cela inclut les noyaux atomiques, les électrons, les muons, les pions chargés, les protons et les noyaux chargés énergétiques dépouillés de leurs électrons. Lorsqu’elles se déplacent à des vitesses relativistes, ces particules ont une énergie cinétique suffisante pour être ionisantes, mais les vitesses relativistes ne sont pas nécessaires. Par exemple, une particule alpha typique est ionisante, mais se déplace à environ 5 % c, et un électron de 33 eV (suffisant pour ioniser) se déplace à environ 1 % c.
Les deux premières sources ionisantes à être reconnues ont reçu des noms spéciaux utilisés aujourd’hui : Les noyaux d’hélium éjectés des noyaux atomiques sont appelés particules alpha, et les électrons éjectés généralement (mais pas toujours) à des vitesses relativistes, sont appelés particules bêta.
Les rayons cosmiques naturels sont constitués principalement de protons relativistes mais comprennent aussi des noyaux atomiques plus lourds comme les ions hélium et les ions HZE. Dans l’atmosphère, ces particules sont souvent arrêtées par les molécules d’air, ce qui produit des pions chargés de courte durée, qui se désintègrent rapidement en muons, un type primaire de rayonnement cosmique qui atteint le sol (et le pénètre aussi dans une certaine mesure). Les pions peuvent également être produits en grande quantité dans les accélérateurs de particules.
Particules alphaModification
Les particules alpha sont constituées de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Les émissions de particules alpha sont généralement produites dans le processus de désintégration alpha, mais peuvent également être produites d’autres manières. Les particules alpha doivent leur nom à la première lettre de l’alphabet grec, α. Le symbole de la particule alpha est α ou α2+. Comme elles sont identiques aux noyaux d’hélium, elles sont aussi parfois écrites sous la forme He2+
ou 4
2He2+
indiquant un ion d’hélium de charge +2 (auquel il manque ses deux électrons). Si l’ion gagne des électrons de son environnement, la particule alpha peut s’écrire comme un atome d’hélium normal (électriquement neutre) 4
2He.
Les particules alpha sont une forme extrêmement ionisante de rayonnement corpusculaire. Lorsqu’elles résultent d’une désintégration alpha radioactive, elles ont une faible profondeur de pénétration. Dans ce cas, elles peuvent être absorbées par quelques centimètres d’air, ou par la peau. Plus puissantes, les particules alpha à longue portée issues de la fission ternaire sont trois fois plus énergétiques, et pénètrent proportionnellement plus loin dans l’air. Les noyaux d’hélium qui forment 10 à 12 % des rayons cosmiques sont aussi généralement beaucoup plus énergétiques que ceux produits par les processus de désintégration nucléaire et, lorsqu’ils sont rencontrés dans l’espace, ils sont donc capables de traverser le corps humain et les blindages denses. Cependant, ce type de rayonnement est considérablement atténué par l’atmosphère terrestre, qui constitue un bouclier radiologique équivalent à environ 10 mètres d’eau.
Particules bêtaModification
Les particules bêta sont des électrons ou des positrons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs, comme le potassium 40. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta. Elles sont désignées par la lettre grecque bêta (β).Il existe deux formes de désintégration bêta, β- et β+, qui donnent respectivement naissance à l’électron et au positron.
Lorsqu’on dit qu’un objet est contaminé par la radioactivité, cela signifie souvent que des particules bêta sont émises par sa surface, détectables à l’aide d’un compteur Geiger ou d’un autre détecteur de rayonnement. Lorsqu’il est mis à proximité de l’émetteur bêta, le détecteur indique une augmentation spectaculaire de la radioactivité. Lorsque la sonde du détecteur est recouverte d’un écran pour bloquer les rayons bêta, l’indication sera considérablement réduite.
Les particules bêta de haute énergie peuvent produire des rayons X connus sous le nom de bremsstrahlung (« rayonnement de freinage ») ou des électrons secondaires (rayon delta) lorsqu’elles traversent la matière. Ces deux phénomènes peuvent provoquer un effet d’ionisation indirect.
Le bremsstrahlung est préoccupant lors du blindage des émetteurs bêta, car l’interaction des particules bêta avec le matériau de blindage produit du bremsstrahlung. Cet effet est plus important avec les matériaux de numéro atomique élevé, c’est pourquoi on utilise des matériaux de faible numéro atomique pour le blindage des sources bêta.
Positrons et autres types d’antimatièreModifier
Le positron ou antiélectron est l’antiparticule ou la contrepartie antimatière de l’électron. Lorsqu’un positron de faible énergie entre en collision avec un électron de faible énergie, une annihilation se produit, entraînant leur conversion en l’énergie de deux ou plusieurs photons gamma (voir annihilation électron-positron).
Les positons peuvent être générés par la désintégration nucléaire d’émission de positrons (par des interactions faibles), ou par la production de paires à partir d’un photon suffisamment énergétique. Les positrons sont des sources artificielles communes de rayonnement ionisant utilisées dans les tomographies médicales par émission de positrons (TEP).
Comme les positrons sont des particules chargées positivement, ils peuvent aussi ioniser directement un atome par des interactions de Coulomb.
Nucléus chargésEdit
Les noyaux chargés sont caractéristiques des rayons cosmiques galactiques et des événements de particules solaires et, à l’exception des particules alpha (noyaux d’hélium chargés), n’ont pas de sources naturelles sur la terre. Dans l’espace, cependant, les protons, les noyaux d’hélium et les ions HZE de très haute énergie peuvent être initialement arrêtés par des couches relativement fines de blindage, de vêtements ou de peau. Cependant, l’interaction qui en résulte va générer un rayonnement secondaire et provoquer des effets biologiques en cascade. Si un seul atome de tissu est déplacé par un proton énergétique, par exemple, la collision provoquera d’autres interactions dans le corps. C’est ce qu’on appelle le « transfert linéaire d’énergie » (TLE), qui utilise la diffusion élastique.
Le TLE peut être visualisé comme une boule de billard qui en frappe une autre à la manière de la conservation de la quantité de mouvement, renvoyant les deux avec l’énergie de la première boule divisée entre les deux de manière inégale. Lorsqu’un noyau chargé frappe un noyau relativement lent d’un objet dans l’espace, le TLE se produit et des neutrons, des particules alpha, des protons de faible énergie et d’autres noyaux seront libérés par les collisions et contribueront à la dose totale absorbée par les tissus.
Ionisation indirecteModification
Le rayonnement ionisant indirect est électriquement neutre et n’interagit donc pas fortement avec la matière. L’essentiel des effets d’ionisation est dû aux ionisations secondaires.
Un exemple de rayonnement indirectement ionisant est le rayonnement neutronique.
Rayonnement photoniqueEdit
Différents types de rayonnement électromagnétique
Le coefficient d’absorption total du plomb (numéro atomique 82) pour les rayons gamma, tracé en fonction de l’énergie gamma, et les contributions des trois effets. Ici, l’effet photoélectrique domine à basse énergie. Au-dessus de 5 MeV, la production de paires commence à dominer.
Même si les photons sont électriquement neutres, ils peuvent ioniser les atomes directement par l’effet photoélectrique et l’effet Compton. L’une ou l’autre de ces interactions provoquera l’éjection d’un électron d’un atome à des vitesses relativistes, transformant cet électron en une particule bêta (particule bêta secondaire) qui ionisera de nombreux autres atomes. Comme la plupart des atomes touchés sont ionisés directement par les particules bêta secondaires, les photons sont appelés rayonnement indirectement ionisant.
Le rayonnement photonique est appelé rayons gamma s’il est produit par une réaction nucléaire, la désintégration d’une particule subatomique ou une désintégration radioactive au sein du noyau. Il est autrement appelé rayons X s’il est produit à l’extérieur du noyau. Le terme générique de photon est donc utilisé pour décrire les deux.
Les rayons X ont normalement une énergie plus faible que les rayons gamma, et une convention plus ancienne consistait à définir la limite comme une longueur d’onde de 10-11 m ou une énergie de photon de 100 keV. Ce seuil était motivé par les limites des anciens tubes à rayons X et par la méconnaissance des transitions isomériques. Les technologies et découvertes modernes ont entraîné un chevauchement des énergies des rayons X et des rayons gamma. Dans de nombreux domaines, elles sont fonctionnellement identiques, ne différant pour les études terrestres que par l’origine du rayonnement. En astronomie, cependant, où l’origine du rayonnement ne peut souvent pas être déterminée de manière fiable, l’ancienne division de l’énergie a été conservée, les rayons X étant définis comme étant compris entre environ 120 eV et 120 keV, et les rayons gamma comme étant de toute énergie supérieure à 100 à 120 keV, quelle que soit la source. On sait que la plupart des « rayons gamma » astronomiques ne proviennent pas de processus radioactifs nucléaires, mais résultent plutôt de processus comme ceux qui produisent les rayons X astronomiques, sauf qu’ils sont pilotés par des électrons beaucoup plus énergétiques.
L’absorption photoélectrique est le mécanisme dominant dans les matériaux organiques pour les énergies de photons inférieures à 100 keV, typiques des rayons X classiques d’origine radiologique. Aux énergies supérieures à 100 keV, les photons ionisent la matière de plus en plus par l’effet Compton, puis indirectement par la production de paires aux énergies supérieures à 5 MeV. Le diagramme d’interaction ci-joint montre deux diffusions Compton se produisant séquentiellement. Dans chaque événement de diffusion, le rayon gamma transfère de l’énergie à un électron, et il continue son chemin dans une direction différente et avec une énergie réduite.
Limite de définition des photons de plus faible énergieModifier
L’énergie d’ionisation la plus faible de tout élément est de 3,89 eV, pour le césium. Cependant, les documents de la Commission fédérale des communications des États-Unis définissent les rayonnements ionisants comme ceux dont l’énergie des photons est supérieure à 10 eV (ce qui équivaut à une longueur d’onde dans l’ultraviolet lointain de 124 nanomètres). En gros, cela correspond à la première énergie d’ionisation de l’oxygène et à l’énergie d’ionisation de l’hydrogène, toutes deux d’environ 14 eV. Dans certaines références de l’Agence de protection de l’environnement, l’ionisation d’une molécule d’eau typique à une énergie de 33 eV est considérée comme le seuil biologique approprié pour les rayonnements ionisants : cette valeur représente la valeur W, nom familier de l’énergie moyenne dépensée dans un gaz par paire d’ions formée, qui combine l’énergie d’ionisation et l’énergie perdue dans d’autres processus tels que l’excitation. À 38 nanomètres de longueur d’onde pour le rayonnement électromagnétique, 33 eV est proche de l’énergie à la transition conventionnelle de 10 nm de longueur d’onde entre l’ultraviolet extrême et le rayonnement X, qui se produit à environ 125 eV. Ainsi, les rayons X sont toujours ionisants, mais seuls les rayons ultraviolets extrêmes peuvent être considérés comme ionisants selon toutes les définitions.
L’effet biologique des rayonnements ionisants sur les cellules ressemble quelque peu à celui d’un spectre plus large de rayonnements dommageables pour les molécules, qui chevauche les rayonnements ionisants et s’étend au-delà, à des énergies un peu plus faibles, dans toutes les régions des UV et parfois de la lumière visible dans certains systèmes (comme les systèmes photosynthétiques des feuilles). Bien que l’ADN soit toujours susceptible d’être endommagé par les rayonnements ionisants, la molécule d’ADN peut également être endommagée par des rayonnements ayant une énergie suffisante pour exciter certaines liaisons moléculaires et former des dimères de pyrimidine. Cette énergie peut être inférieure à l’énergie ionisante, mais proche de celle-ci. Un bon exemple est l’énergie du spectre ultraviolet qui commence à environ 3,1 eV (400 nm), à un niveau d’énergie proche de celui qui peut provoquer des coups de soleil sur une peau non protégée, à la suite de photoréactions dans le collagène et (dans la gamme UV-B) également des dommages dans l’ADN (par exemple, des dimères de pyrimidine). Ainsi, le spectre électromagnétique de l’ultraviolet moyen et inférieur endommage les tissus biologiques en raison de l’excitation électronique des molécules qui n’est pas une ionisation, mais produit des effets non thermiques similaires. Dans une certaine mesure, il a été prouvé que la lumière visible et également l’ultraviolet A (UVA), qui est le plus proche des énergies visibles, entraînent la formation d’espèces réactives de l’oxygène dans la peau, qui causent des dommages indirects puisque ce sont des molécules excitées électroniquement qui peuvent infliger des dommages réactifs, bien qu’elles ne provoquent pas de coup de soleil (érythème). Comme l’ionisation-dommage, tous ces effets sur la peau vont au-delà de ceux produits par les simples effets thermiques.
Interaction des rayonnements : les rayons gamma sont représentés par des lignes ondulées, les particules chargées et les neutrons par des lignes droites. Les petits cercles montrent où se produit l’ionisation.
NeutronsEdit
Les neutrons ont une charge électrique neutre souvent mal comprise comme une charge électrique nulle et ne provoquent donc souvent pas directement l’ionisation en une seule étape ou interaction avec la matière. Cependant, les neutrons rapides vont interagir avec les protons de l’hydrogène via le TLE, et ce mécanisme disperse les noyaux des matériaux dans la zone cible, provoquant une ionisation directe des atomes d’hydrogène. Lorsque les neutrons frappent les noyaux d’hydrogène, il en résulte un rayonnement de protons (protons rapides). Ces protons sont eux-mêmes ionisants car ils sont de haute énergie, sont chargés et interagissent avec les électrons de la matière.
Les neutrons qui frappent d’autres noyaux que l’hydrogène transféreront moins d’énergie à l’autre particule si un TLE se produit. Mais, pour de nombreux noyaux frappés par des neutrons, une diffusion inélastique se produit. Le fait que la diffusion soit élastique ou inélastique dépend de la vitesse du neutron, qu’elle soit rapide, thermique ou intermédiaire. Elle dépend également des noyaux qu’il frappe et de sa section transversale neutronique.
Dans la diffusion inélastique, les neutrons sont facilement absorbés dans un type de réaction nucléaire appelée capture de neutrons et attribuée à l’activation neutronique du noyau. Les interactions des neutrons avec la plupart des types de matière de cette manière produisent généralement des noyaux radioactifs. Le noyau abondant de l’oxygène-16, par exemple, subit une activation neutronique, se désintègre rapidement par une émission de protons en formant de l’azote-16, qui se désintègre en oxygène-16. La désintégration de l’azote-16 à courte durée de vie émet un puissant rayon bêta. Ce processus peut s’écrire comme suit :
16O (n,p) 16N (capture rapide de neutrons possible avec > neutron de 11 MeV)
16N → 16O + β- (désintégration t1/2 = 7.13 s)
Ce β- de haute énergie interagit en outre rapidement avec d’autres noyaux, émettant des γ de haute énergie par Bremsstrahlung
Bien que n’étant pas une réaction favorable, la réaction 16O (n,p) 16N est une source majeure de rayons X émis par l’eau de refroidissement d’un réacteur à eau pressurisée et contribue énormément au rayonnement généré par un réacteur nucléaire refroidi à l’eau en fonctionnement.
Pour le meilleur blindage des neutrons, on utilise des hydrocarbures qui ont une abondance d’hydrogène.
Dans les matières fissiles, les neutrons secondaires peuvent produire des réactions nucléaires en chaîne, provoquant une plus grande quantité d’ionisation à partir des produits de filiation de la fission.
En dehors du noyau, les neutrons libres sont instables et ont une durée de vie moyenne de 14 minutes, 42 secondes. Les neutrons libres se désintègrent par émission d’un électron et d’un antineutrino électronique pour devenir un proton, un processus connu sous le nom de désintégration bêta :
Dans le schéma ci-contre, un neutron entre en collision avec un proton de la matière cible, puis devient un proton à recul rapide qui s’ionise à son tour. À la fin de son parcours, le neutron est capturé par un noyau dans une réaction (n,γ) qui conduit à l’émission d’un photon de capture de neutron. De tels photons ont toujours suffisamment d’énergie pour être qualifiés de rayonnement ionisant.