Foire aux questions - Les réponses

La radioactivité et ses usages

Que sont les radioactivités bêta et gamma ?

La radioactivité bêta est la transformation, au sein d’un noyau, d'un neutron en proton (bêta^- : neutron → proton + électron + antineutrino) ou d'un proton en neutron (bêta⁺ : proton → neutron + positon + neutrino). Cette transformation se fait par interaction faible et en allant vers des noyaux de plus en plus légers car les systèmes évoluent toujours vers l'énergie minimale.
Exemples :

• bêta^- : fluor 21 (9p, 12n) → néon 21 (10p, 11n) + électron + antineutrino
• bêta⁺ : sodium 21 (11p, 10n) → néon 21 (10p, 11n) + positon + neutrino

Pour l'équilibre des charges, on a :

• charge + : proton et positon ;
• charge - : électron ;
• pas de charge : neutron, neutrino, antineutrino.

La radioactivité bêta^- correspond à l'émission d'un électron de charge négative, tandis que la radioactivité bêta⁺ correspond à l'émission d'un positon de charge positive.
Pour les masses : neutron et proton ont des masses voisines ; l'électron et le positon qui est son antiparticule ont exactement la même masse qui est 2000 fois plus faible que celle du neutron ou du proton ; le neutrino et l'antineutrino qui est son antiparticule ont une masse nulle ou très petite.
La radioactivité gamma se produit quand un noyau est "excité", c'est-à-dire qu'il a plus d'énergie que dans son état normal dit "fondamental". Cela arrive par exemple après la radioactivité bêta. Dans les exemples cités, le néon 21 va émettre des gamma avant d'atteindre son état de plus faible énergie. Le rayonnement gamma n'est pas de même nature que le rayonnement bêta : il s'agit d'une onde électromagnétique de même nature que la lumière ou les rayons X, mais dont l’énergie est encore plus grande que celle des rayons X.
thibault@csnsm.in2p3.fr, 13 mars 2002

Quelles sont les durées de vie des émetteurs bêta⁺ ?

Les durées de vie des émetteurs bêta⁺, comme celles des émetteurs bêta^-, sont variables. Elles dépendent de l'énergie libérée par la désintégration. Plus cette énergie est grande, plus le noyau se désintègre vite.
thibault@csnsm.in2p3.fr, 27 mai 2002

Pourquoi parle-t-on de proton "instable" ?

Le proton est le plus léger des "baryons" (les baryons ont un nombre baryonique non nul) et il est le seul à être stable. Le neutron notamment qui est légèrement plus massif se désintègre en proton. Mais certaines théories conduisent à penser que le proton pourrait se transformer en des particules non baryoniques, comme une paire électron-positon, avec une probabilité extrêmement faible. Cependant, les expériences ont montré que sa demi-vie est supérieure à la valeur prédite (10³¹ ans).
thibault@csnsm.in2p3.fr, 27 mai 2002

Quelles sont les méthodes de production de l’azote 15 ? Quels sont les modes de production d'atomes enrichis, et en particulier que se passe-t-il au niveau du noyau ?

L'azote 15 est un isotope stable qui existe dans la nature. Mais il est très peu abondant puisqu'il ne représente que 0,366 % de l'azote "naturel", les 99,634 % restants étant de l'azote 14. Il n'y a donc pas à fabriquer cet isotope, mais "seulement" à le séparer de l'azote 14. Cette séparation peut être réalisée par des procédés physiques ou chimiques comme la diffusion gazeuse (la vitesse de diffusion dépend de la masse atomique), la diffusion thermique, la centrifugation, la chromatographie gazeuse… Cependant, comme la séparation n'est jamais parfaite, surtout si l’on part d'un pourcentage très faible, on dit alors que l’on "enrichit" seulement le mélange. On parle d'enrichissement quand on modifie les quantités relatives de deux isotopes dans un mélange. Il ne s'agit en aucune façon de modifier des noyaux par des réactions nucléaires.
Nous ne savons pas quelle est la méthode utilisée pour obtenir de façon "industrielle" de l'azote 15. Il est probable que les contraintes économiques imposent leurs lois. Voici cependant une solution possible !
L'élément principal du "séparateur isotopique" est un champ magnétique dans lequel les ions décrivent un arc de cercle dont le rayon est proportionnel à leur masse. La technique consiste donc à ioniser l'azote "naturel" sous forme d'ions N+, à accélérer ces ions avec un champ électrique (N14⁺ et N15⁺ sont accélérés de la même façon et ils ont donc la même vitesse v), puis à les faire passer dans un champ magnétique : ils auront alors des trajectoires différentes (rayon de courbure de la trajectoire = mv/qB, où v/qB est le même pour les 2 isotopes). On a q = 1 et on choisit v/B pour que la différence entre les rayons de courbure soit de plusieurs centimètres. Il suffit alors de recueillir ces deux types d’ions dans deux enceintes séparées. Si le dispositif est "idéal", l'efficacité de séparation est de 100 %, ce qui n'est évidemment jamais le cas. Il s'agit en définitive d'une méthode analogue à celle utilisée pour analyser une expérience de "spectrométrie de masse".
thibault@csnsm.in2p3.fr, porquet@csnsm.in2p3.fr, 21 février 2002

En quoi les techniques de protonthérapie et d’hadronthérapie sont-elles différentes ?

On distingue la protonthérapie qui utilise des protons d'énergie 200-250 MeV (en France : Centre de protonthérapie d’Orsay et Centre Antoine Lacassagne de Nice) et l'hadronthérapie qui utilise des ions carbone de 400 MeV/u (projet de Lyon en France, KFZ/GSI en Allemagne, Tera en Italie, Himac au Japon).
laune@ipno.in2p3.fr, 7 janvier 2002

La méthode de datation à l'aide du carbone 14 est-elle une méthode de référence ? Avec toutes les corrections que l'on pratique sur les résultats, est-elle suffisamment fiable ou préfère-t-on utiliser plusieurs méthodes différentes pour arriver à un résultat plus juste ?

La datation au carbone 14 est une méthode de référence et surtout, elle permet très souvent de réaliser des datations là où il n'y a pas d'autres méthodes. Pour que cette méthode soit sensible et précise, on utilise aujourd’hui la technique dite de Séparation de Masse par Accélérateur (SMA en français, AMS en anglais) pour mesurer le rapport isotopique carbone12 - carbone14.
La mesure du rapport isotopique carbone12 - carbone14 actuel et sa comparaison à celui de l'atmosphère à l'époque de la mort de l'organisme auquel on s'intéresse permettent de déterminer le nombre d'années écoulées depuis cette mort.
Si le rapport carbone12 - carbone14 de l'atmosphère était constant, le problème serait très simple. Malheureusement, ce rapport isotopique n'a pas été et n'est pas constant en fonction du temps. Dans le passé auquel on s'intéresse, ce rapport a fluctué lentement en fonction des fluctuations d'intensité du rayonnement cosmique car c’est ce dernier qui produit le carbone14 lors de son interaction avec l'atmosphère. Il a donc fallu étalonner la méthode à l’aide de cas pour lesquels on disposait d'autres méthodes de datation. Mais maintenant que cet étalonnage est fait, c'est une méthode très sure. Malgré tout, comme pour toute mesure délicate en physique, si l’on dispose de deux méthodes de mesures différentes, il est préférable de les utiliser toutes les deux pour s'assurer qu'elles donnent des résultats concordants, voire d’en utiliser une troisième si les résultats des deux premières ne concordent pas !
thibault@csnsm.in2p3.fr, 30 mai 2002

Quel est l'effet d'un proton arrivant sur une molécule du vivant ? Est-ce le même qu'avec une autre particule chargée ? L'ionisation d'un atome par une particule chargée peut-elle être expliquée par une loi simple ?

Pour arracher un électron à un atome ou à une molécule, il faut lui fournir de l'énergie. La plus petite énergie nécessaire s'appelle l'énergie de liaison de l'électron. Elle vaut par exemple 13,6 eV pour l'électron de l'atome d'hydrogène. La vitesse orbitale d'un électron est en rapport avec son énergie de liaison : plus l’énergie de liaison est grande, plus la vitesse orbitale est grande. Cependant, dans la matière biologique, constituée surtout d'hydrogène, de carbone, d’azote et d’oxygène (des atomes dits légers), les vitesses orbitales sont assez faibles pour que l'on puisse considérer les électrons comme immobiles quand ils interagissent avec des projectiles de plusieurs centaines de MeV par nucléon, comme c’est le cas de ceux utilisés en hadronthérapie (par exemple les ions C du projet Etoile auront une énergie maximale de 400 MeV par nucléon, soit une énergie effective de 400×12 = 4,8 TeV).
Quand un projectile chargé rapide (par exemple un ion C nu de charge + 6) passe à proximité d'un électron, il va y avoir un transfert d'énergie du projectile vers l'électron et c'est bien sûr la force de Coulomb qui en est responsable. Pour le projectile, la perte d'énergie est infime, mais pour le système atome-électron, c'est ce transfert d'énergie qui va provoquer l'ionisation, si naturellement il est supérieur à l'énergie de liaison. Dans cette collision, les deux objets n'ont pas besoin de se toucher (contrairement au cas d'une boule de pétanque heurtant un cochonnet) car ils interagissent par la force de Coulomb qu'ils exercent l'un sur l'autre. On dit que c'est une force à longue portée bien qu'elle décroisse comme le carré de la distance entre les deux objets (il y a par exemple des forces nucléaires, dites à courte portée, qui décroissent exponentiellement avec la distance).
Tout ceci permet de comprendre que l'énergie transférée au cours de la collision dépend :

• de la distance à laquelle le projectile "frôle" l'électron
  On appelle paramètre d'impact le minimum de cette distance si on considère que la trajectoire du projectile est une ligne droite (c'est-à-dire que le projectile n'est pas dévié du tout). Les collisions à plus grand paramètre d'impact ont une probabilité plus grande d’advenir, mais elles provoquent un plus petit transfert d'énergie. Il y a donc un paramètre d'impact maximum pour arracher l'électron.
• de la charge du projectile
  Plus celle-ci est grande, plus la force est importante. À vitesse égale, un ion lourd est donc plus efficace pour ioniser qu'un proton.
• de la durée de la collision
  Pour un projectile et un paramètre d'impact donnés, le transfert d'énergie dépend de la vitesse du projectile. Plus l'ion est rapide, plus la durée de la collision est faible, moins la force de Coulomb agit longtemps et moins le transfert d'énergie est important.

Quand le projectile pénètre dans la matière, il provoque un nombre énorme de tels petits transferts qui peu à peu le ralentissent, jusqu'à l'arrêt. À une vitesse donnée, on définit la quantité (dE/dx), où dE est la perte d'énergie du projectile sur la distance dx. Cette quantité est donc la perte d'énergie par unité de longueur. Elle a la dimension d'une force et est en réalité une force de frottement. On l'appelle aussi le pouvoir d'arrêt du matériau traversé par le projectile.
Comme cela vient d’être vu, les transferts d'énergie diminuent quand la vitesse augmente. On utilise cette propriété en hadronthérapie en envoyant des projectiles très rapides qui peuvent traverser les régions saines (et se ralentir quand même) sans trop les ioniser, avant d'atteindre la région plus profonde que l’on veut traiter, où ils provoquent beaucoup d'ionisation. Comme en fait l'ionisation va décroître à nouveau quand le projectile sera presque arrêté (ce qui n'est pas expliqué ici), elle va passer par un maximum assez pointu : cela constitue ce que l'on appelle le pic de Bragg. On choisira donc l'énergie des projectiles incidents de manière à ce que le pic de Bragg corresponde à la région à traiter. (autre réponse traitant du pic de Bragg)
j-c.poizat@ipnl.in2p3.fr, 29 janvier 2003

Pourquoi les cellules cancéreuses sont-elles plus sensibles aux rayonnements utilisés en radiothérapie que des cellules "normales" ?

Outre d’être cancéreuses, les cellules cancéreuses ont aussi un disfonctionnement de leurs processus de réparation des cassures d’ADN simple brin (lorsqu'un seul brin de la double hélice d'ADN est endommagé par le rayonnement ionisant). En conséquence, les cellules saines "réparent" leurs dommages d'irradiation plus efficacement et plus rapidement (en quelques minutes ou quelques heures) que les cellules cancéreuses, lesquelles ont de fortes chances de ne pas survivre aux mêmes dommages d’irradiation.
Robert Kirsch, 11 février 2003

Que se passe-t-il si l'on met deux sources de radioactivité bêta, l'une bêta⁺ et l'autre bêta^-, à proximité l'une de l'autre en les choisissant avec une forte activité ? Les particules et leurs antiparticules que l'une et l'autre émettent ne devraient-elle pas s'annihiler, produisant ainsi de l'énergie (d'autant que l'on pourrait s'attendre à avoir une probabilité de rencontres élevée du fait de l'attraction due à l'opposition des charges ?) ?

Les 2 principaux problèmes sont :
1) Les électrons et les positons émis par les radioactivités bêta n’ayant pas tous la même énergie (la distribution de ces énergies allant de 0 jusqu'à une valeur maximale qui dépend de l'isotope), il est difficile de les focaliser sur un même point de rencontre et leur probabilité d'annihilation est donc faible. De plus, étant animés de grandes vitesses (souvent proches de celle de la lumière), l'attraction entre charges électriques opposées n'apporte aucune aide.
2) Les sources radioactives bêta⁺ intenses ne peuvent pas être naturelles. En effet, une source naturelle (ex. le potassium 40) a nécessairement une durée de vie est très longue (sinon il n'y en aurait plus sur Terre) et une activité très faible. Si l’on veut une activité intense sans avoir des tonnes de matière, alors il faut une durée de vie courte (ex. quelques heures pour les isotopes utilisés en tomographie par émission de positons ou 2 ans pour le sodium 22 utilisé au Cern comme source de positons) et dans ce cas, il faut d'abord dépenser de l'énergie pour les fabriquer.
thibault@csnsm.in2p3.fr, 19 février 2003

Pourquoi les méthodes regroupées sous le terme de "radiothérapie" perdent-elles en importance ? Le projet "Etoile" concerne-t-il le cancer et signifie-t-il un "retour" à ce type de traitement ?

Le terme de "radiothérapie" est relativement ancien ; il regroupe les méthodes d'irradiation externe par des sources intenses, notamment les rayons gamma ("bombe au cobalt"), et inclut probablement les méthodes d'irradiation interne par administration de radio-isotopes à courte durée de vie se fixant sélectivement sur certains organes (dont les organes à irradier).
Cependant, les rayons gamma traversant le corps entier, la seule maîtrise de ce type de radiothérapie consiste à limiter la zone du corps irradiée à l’aide d’écrans de plomb ne laissant apparente que la zone à traiter. Toute l'épaisseur de cette zone, c’est-à-dire aussi bien des organes sains que des organes malades, est alors soumise au même taux d’irradiation. Aujourd’hui, cette radiothérapie se pratique sûrement beaucoup moins que la chimiothérapie.
En revanche, les centres de thérapie par faisceaux de particules ionisantes sont appelés à un développement dans le futur. C’est le cas de la protonthérapie à Orsay et de l’hadronthérapie expérimentale en Allemagne à GSI (ainsi qu’un projet à Heidelberg), au Japon (à Chiba), aux USA (LBL Berkeley) et en France (projet Etoile à Lyon). Les termes de "protonthérapie" (avec des protons) ou "hadronthérapie" (avec des hadrons : par exemple des atomes de carbone) sont utilisés pour distinguer ce type de traitement de la "radiothérapie" classique. Les faisceaux de particules sont contrôlés en énergie (profondeur), position, dose et volume irradié, ce qui explique que ces traitements sont réservés actuellement aux cas de cancers bien localisés et situés dans des régions difficilement accessibles ou contre-indiquées pour la chirurgie. Sur les 140 patients (tous volontaires) traités à ce jour à GSI, la survie sans récidive à 1 an a été de 94 % pour les 45 premiers patients.
kirsch@ipnl.in2p3.fr, 5 mars 2003

Où peut-on trouver des informations sur les derniers éléments découverts ces dernières années : les méthodes utilisées pour les obtenir, leurs propriétés physico-chimiques ainsi que leur possible avenir industriel ?

Il est possible de consulter le site d'une conférence sur la physique et la chimie des éléments transactinides qui aura lieu en novembre 2003 en Californie. Les résumés des conférences prévues donnent un aperçu de ce qui est à la pointe en ce domaine (tout en anglais, bien entendu). Attention ! Ce site s’adressant à des spécialistes, le contenu pourra paraître un peu ardu.
Les applications industrielles de ces éléments sont totalement tributaires de leurs durées de vie dont aucune n'a dépassé la minute. De plus, leur caractère radioactif, leur coût et leur taux de production rendent difficilement envisageables des applications industrielles. Les chercheurs travaillent avec environ 34 atomes à l'heure pour l’élément 104 et 10 atomes à l'heure pour l’élément 105. Pour les éléments plus lourds, les taux de production chutent encore : pour l'élément 116, on parle de 3 événements, en tout et pour tout. Il paraît donc totalement utopique d'espérer faire quelque chose d'appliqué avec ces éléments. En revanche, les défis techniques que la production de ces éléments oblige à relever sont potentiellement générateurs de progrès technologiques.
isabelle.billard@ires.in2p3.fr, 9 mai 2003

La classification périodique des éléments a-t-elle une fin ? Bohr pensait que l'élément Z = 100 serait le dernier élément. Que doit-on en penser ?

L'expérience montre aujourd'hui que Bohr s'était trompé puisque nous en sommes à l'élément 116, le 118 s'étant révélé être une erreur d'interprétation. À l’heure actuelle, il a été possible d’obtenir au moins un isotope de chaque élément jusqu’à l’élément 112 compris. Au-delà, quelques isotopes des éléments 114 et 116 ont été obtenus, les numéros impairs étant plus difficiles à produire (il y a de profondes raisons théoriques à cela). Si le tableau périodique a une fin, elle se situe donc nécessairement au-delà de l’élément 116. Pourquoi l’absence de limite supérieure au tableau périodique devrait-elle être troublante ? Montrer que le tableau périodique est clos est difficile. Expérimentalement, si l’on n’arrive pas à synthétiser l’élément 117 (par exemple), c'est peut-être que les techniques employées ne sont pas adaptées. Par conséquent, si une théorie "prouve" que le tableau est limité vers les hautes masses, elle ne pourra pas, dans l’absolu, être confirmée expérimentalement : l’absence de preuve n’est pas la preuve d’absence. À mon avis, la question est mal posée mais elle est très intéressante. Notons que les étoiles à neutrons sont en quelque sorte des éléments super lourds qui se trouvent très très loin dans le tableau périodique...
isabelle.billard@ires.in2p3.fr, 9 mai 2003

L'élément Z = 114 aurait une stabilité plus importante que les autres transuraniens. Est-ce que l'expérience le confirme ?

Oui ! Cette question fait allusion à ce que l'on appelle depuis déjà longtemps "l'îlot de stabilité" : c'est une prédiction théorique qui stipule que, "quelque part" dans la région des éléments lourds de la classification périodique, doit exister un groupe d'éléments dont certains isotopes auraient des durées de vie significativement plus longues que les éléments ou isotopes environnants. La théorie prédit que cet îlot doit se situer aux alentours d'un nombre de neutrons de l'ordre de 185 et d’un nombre de protons d'environ 110 (ce qui correspond à une masse d’environ 290). Par "significativement", on entend un fort facteur multiplicatif et non pas une valeur absolue. Cet îlot semble avoir été trouvé récemment. Voici quelques chiffres (isotopes pair-pair) :

Comparons ces valeurs à celles connues pour l'isotope de masse 270 de l'élément 110. Ce dernier a une durée de vie de 100 μs, très inférieure aux 8 secondes environ de durée de vie de l’isotope de masse 280 de l’élément 110 : il y a presque un facteur 105 entre les deux valeurs même si 10 s reste une durée de vie courte. D'après les expérimentateurs qui ont obtenu ces chiffres, c'est la preuve qu’ils sont aux bords de l'îlot de stabilité (toute relative, comme on peut le voir).
isabelle.billard@ires.in2p3.fr, 9 mai 2003

Comment peut-on mesurer la demi-vie de l'uranium 238 ?

Pour calculer la demi-vie de l'uranium 238, il faut déterminer le nombre de désintégrations alpha par an et par atome. Pour cela, on prend un échantillon aussi pur que possible d'uranium naturel (ou de préférence séparé isotopiquement), et l'on compte le nombre de désintégrations alpha pendant un temps donné.
Le premier problème est de connaître la masse d'uranium 238 contenue dans l'échantillon : pour cela, il faut déterminer la masse totale de l'échantillon, faire une analyse chimique afin de déterminer la proportion exacte d'uranium (qui est proche de 100% si l'échantillon a été bien préparé) et une analyse par spectrométrie de masse pour déterminer la contribution relative des isotopes 234, 235 et 238 de l'uranium. La contribution de l'uranium 238 est de toute façon proche de 100%, mais il faut la connaître avec la précision voulue.
Il faut ensuite s'assurer qu'aucune impureté ne risque de produire des désintégrations alpha non désirées et enfin compter les désintégrations alpha en fonction du temps : pour cela, il faut une bonne connaissance de l'efficacité du détecteur, un temps de comptage suffisamment long et une analyse en énergie des alpha émis pour déterminer les contributions relatives des isotopes 234, 235 et 238
Exemple d'un des échantillons de la mesure la plus précise effectuée en 1971 : on a compté 823,16 alpha par minute et par mg de l'échantillon; il y avait 99,979% d'uranium 238 dans cet échantillon et 90,67% des alpha provenaient de l'uranium 238. On a donc 823,16 x 0,9067/0,99979 = 746,52 désintégrations alpha par minute et par mg d'uranium 238.
Sachant que la masse atomique de ²³⁸U est 238,05 g, que le nombre d'Avogadro vaut 6,0221x10²³ et qu'il y a 5,2595x10⁵ minutes dans une année, on peut en déduire le nombre de désintégrations alpha par atome et par an :
λ = 746,52 x (238,05 x 10³) x (5,2595 x 10⁵) / (6,0221 x 10²³) = 0,1552 x 10^–9 désintégrations par atome et par an
et la demi-vie T_1/2 = Log2/λ = 0,6931/(0,1552 x 10^–9) = 4,466 x 10⁹ ans
thibault@csnsm.in2p3.fr, 1 octobre 2003