La matière de l’univers se rencontre sous
4 états possibles: solide, liquide, gaz, ou plasma.
Ses constituants élémentaires
sont toujours les mêmes, seul leur arrangement relatif varie et donne à la matière
sa diversité, et ses caractéristiques les plus diverses (physiques, chimiques,
organiques, ...)
Les Grecs anciens avaient
élaboré l’idée d’ATOME en le définissant comme la plus petite particule d’un élément
donné pouvant exister dans la nature.
C’est la plus petite fraction
d’un élément donné identifiable en tant que tel. Cela veut dire que si on fractionne
un atome quelconque, les constituants obtenus ne présentent plus du tout les caractéristiques
de l’élément donné initial.
On appelle élément un
produit constitué d’atomes identiques. Exemple le fer, le cuivre le soufre l’hydrogène....Il
existe dans la nature 90 éléments.
On attribue conventionnellement
à chaque élément un symbole:
Fe = Fer, Cu = Cuivre, S = soufre, H = Hydrogène...
On appelle radio-élément
tous les éléments, naturels ou non, qui ont la propriété d’être radioactifs.
crédit: ANDRA
Un
atome d’hydrogène mesure environ 1 milliardième de mm. Un atome lourd (tel que
celui d’uranium) mesure environ 4 fois plus. Un proton mesure environ 1/ 200 milliards
de mm. Si on représente à l’échelle un atome par un stade de football, le noyau
ne serait qu’un ballon de foot en son centre et les électrons quelques grains
de sable répartis sur la surface du stade. On comprend qu’à l’échelle des ses
constituants la matière c’est presque le vide. Et si nous en avons une perception
continue c’est que les diverses forces de cohésion qui se manifestent entre toutes
ces particules donnent, à notre échelle, toutes les caractéristiques de la continuité.
Tous les atomes sont constitués
des mêmes éléments constitutifs. Seuls l’arrangement et le nombre de constituants
diffèrent d’un atome a l’autre.
Un atome est constitué
d’un noyau entouré d’électrons.
Le noyau est un assemblage
de protons et de neutrons, serrés les uns contre les autres. Les protons ont une
charge électrique élémentaire (+e = 1,6 10-19 Coulombs) et une masse élémentaire
(m = 1,67 10-24 gramme).
Les neutrons ont la même
masse (m) que les protons mais n’ont pas de charge électrique. Les protons et
les neutrons sont des nucléons. Ils sont maintenus groupés au sein du noyau grâce
aux forces nucléaires, qui ne sont pas de nature électrique.
Les électrons sont des
particules de masse environ 2000 fois plus petite que la masse m des nucléons;
ils gravitent en une sorte de nuage autour du noyau, à des cadences prodigieusement
rapides. La masse d’un atome est extrêmement petite. Un atome d’hydrogène pèse**
environ 1,661.10-24 g (0,00000000000000000000000166
g).
Enfin , un atome est électriquement
neutre: il y a autant de protons (+e) dans le noyau que d’électrons (-e) sur le
pourtour. On désigne ce nombre par le symbole Z qu’on appelle numéro atomique
de l’élément.
Le numéro atomique Z d’un
élément est caractéristique de cet élément, ce qui veut dire que tous les éléments
qui ont le même nombre de protons dans leurs noyaux portent le même nom. Par exemple
tous les atomes qui ont 8 protons dans leur noyau sont des atomes d’oxygène.
Si on appelle N
le nombre de neutrons contenus dans le noyau et A le nombre de
nucléons (ou nombre de masse) on représente symboliquement un atome par l’écriture:
(AvecA=Z+N)
X
z
II. - LES ELEMENTS
On connaît actuellement
106 éléments ou corps simples, lesquels sont rangés dans un tableau de classification
dit de Mendeleïev.
Chaque élément de
ce tableau est caractérisé, entre autres, par:
- son symbole (H pour l’hydrogène,
U pour l’uranium),
- son numéro de classement ou numéro atomique :
Z
(1 pour l’hydrogène, 92 pour l’uranium),
- sa masse atomique (1,008 pour
l’hydrogène, 238,07 pour l’uranium).
Les éléments ayant un Z élevé, tel l’uranium (Z = 92), sont appelés éléments
lourds par opposition aux éléments dits légers situés au début du tableau, tel
l’hydrogène (Z = 1).
L’uranium
est le dernier élément naturel; au-delà de l’uranium, les éléments
sont artificiels, le plus important étant le plutonium
(Z = 94).
III.
- L’ATOME ET LES ISOTOPES
1) Caractéristiques de l’atome
Tous
les corps simples sont constitués d’atomes infiniment petits. C’est la plus petite
fraction d’un élément permettant son identification chimique. Dans un atome-gramme
d’un élément quelconque (nombre de grammes d’un élément égal à sa masse atomique)
c’est-à-dire dans 1,008 g d’hydrogène, dans 238,07 g d’uranium, il y a 6.1023 atomes (c’est le nombre d’Avogadro).
L’atome est électriquement neutre; ses dimensions moyennes sont 10-10
m (1/10000000000 m)
On conçoit l’atome comme formé d’un noyau, 100.000 fois plus petit que
l’atome (10 -15 m), chargé d’électricité
positive, autour duquel gravitent des électrons, répartis sur plusieurs couches
selon certaines lois et chargés d’électricité négative.
Le
noyau est composé d’un nombre variable de protons (positifs) et de neutrons (neutres).
Le
nombre de protons - qui est égal au nombre d’électrons et au numéro atomique de
l’élément considéré - détermine les propriétés chimiques de l’atome.
Le
nombre de neutrons joue un rôle fondamental dans les propriétés nucléaires de
l’atome.
2) Les isotopes
Les isotopes sont des éléments qui ont le même numéro atomique
(Z), mais qui diffèrent par le nombre de neutrons dans leur noyau.
Les
isotopes d’un élément ont des propriétés chimiques identiques, des propriétés
physiques différentes et des propriétés nucléaires qui peuvent être également
différentes.
Par exemple, dans l’uranium naturel on compte pratiquement 2 isotopes:
-
l’uranium 235 (92 protons, 143 neutrons) dans la proportion
de 0,7 % A= 92+143=235
-
l’uranium 238 (92 protons, 146 neutrons) dans la proportion de 99,3 % A= 92+146=238
235
238
U
U
92
92
L’hydrogène (Z = 1) a 4 isotopes :
les
deux premiers sont le deutérium (2H) et le tritium (3H).
Pour
séparer les différents isotopes, on joue sur la différence du nombre de neutrons,
donc sur une différence de propriétés physiques.
Ainsi, pour séparer les isotopes de l’uranium on peut opérer par diffusion
à travers les parois poreuses ou par ultracentrifugation, les deux procédés étant
basés sur la différence des masses atomiques de l’U235 et de l’U238. Celle-ci
étant très faible, il est nécessaire de multiplier le nombre des triages, d’où
la construction d’usines où l’on répète des milliers de fois les mêmes opérations.
IV.- QU’EST-CE QUE L’ENERGIE NUCLEAIRE?
1) Principe d’Einstein
En 1905, Einstein a énoncé
le principe de l’équivalence de la masse et de l’énergie: matière et énergie représentent
la même entité, ces deux grandeurs étant reliées par la formule:
E
= mc2, c étant la vitesse de la lumière.
Ce
qui ne varie pas est donc la somme masse + énergie, et si l’on veut obtenir de
l’énergie il faut partir d’une réaction se traduisant par une perte de masse;
c’est ce qui se passe:
- quand on fissionne
les noyaux de certains éléments lourds,
- quand on fusionne
les noyaux de certains éléments légers.
2) Phénomène de fission
C’est
la cassure d’un noyau sous le choc d’un neutron.
L’expérience montre
qu’il est nécessaire de ralentir la vitesse des neutrons pour augmenter la probabilité
de rencontre avec les noyaux.
Avec un neutron
lent percutant un noyau d’uranium 235, on observera:
- la formation de produits
de fission radioactifs,
- l’éjection de 2 à 3 neutrons
rapides qui sont à l’origine de la réaction en chaîne,
- l’apparition d’une certaine
quantité d’énergie.
Les noyaux qui subissent
la fission sous l’action de neutrons lents sont dits « fissiles »
3) Phénomène de fusion
Quand on fusionne des noyaux de deutérium ou de tritium, on observe une
perte de masse, donc une apparition d’énergie.
Les noyaux étant chargés positivement, il se développe des forces de répulsion
considérables quand on veut les accoler. Pour vaincre ces forces, il faut augmenter
l’énergie cinétique des noyaux en présence donc monter dans l’échelle des températures
(400. 10 6 °C), ce qui suppose des conditions de température que l’on
ne sait pas encore réaliser d’une façon permanente.
V.-QU’EST-CE QUE LA RADIOACTIVITE ?
Il convient de distinguer la radioactivité naturelle qui existe dans la
nature, et la radioactivité artificielle créée par l’homme.
La radioactivité
naturelle fut découverte par Becquerel, Pierre et Marie Curie en 1896, et en 1934
Irène et Frédéric Joliot-Curie découvrirent la radioactivité
artificielle.
1) Définition
La radioactivité est la propriété que possèdent les noyaux de certains
éléments d’émettre spontanément un rayonnement complexe :
les noyaux qui rayonnent, se transforment
(on dit qu’ils transmutent) en d’autres noyaux pour finalement aboutir à un élément
stable.
2) Le rayonnement est complexe
La radioactivité se traduit par l’émission de trois types de rayonnements
que l’on désigne par: alpha, bêta, gamma
Ces rayonnements
sont de nature différente bien qu’ayant des propriétés communes
Le rayonnement alpha est constitué
par des noyaux d’hélium 4 (2 protons + 2 neutrons).
Le rayonnement bêta par des électrons.
Le rayonnement gamma, contrairement
aux précédents, qui sont des rayonnements corpusculaires, est constitué par des
ondes électromagnétiques. On dit qu’ils sont constitués de photons.
3) Activité et dose
Quand
un noyau émet un rayonnement, il se désintègre, et transmute en un noyau d’un
autre élément.
L’activité
est le nombre de désintégrations, ou de transmutations, par unité de temps.
L'activité
d'un échantillon radioactif se mesure en becquerels (Bq), unité qui correspond au nombre de désintégrations en 1 seconde.
On utilise quelquefois (en biologie par exemple) le nombre de désintégrations
par minute.
Le curie (Ci) était
autrefois utilisé en hommage à Marie Curie. C'est l'activité d'un gramme de radium,
soit 37 milliards de désintégrations par seconde, soit :
37 Bq = 1 nCi.
Les
rayonnements ionisants interagissent avec la matière, ils apportent donc de l'énergie
dans le milieu traversé. La dose absorbée par la cible est l'énergie reçue par
unité de masse. On l'exprime en joules par kilogramme, c'est-à-dire en Grays (Gy). L'ancienne unité était
le rad. 1 Gy = 100 rads.
Lors d'une exposition
durable, il est pertinent de définir le débit de dose, c'est-à-dire l'énergie
absorbée par kilogramme et par unité de temps. Cette grandeur prend son intérêt
en biologie par exemple où des phénomènes dépendant du temps (croissance, réparation)
sont susceptibles d'être perturbés par les rayonnements. L'unité en est le gray
par seconde (Gy/s).
Ces
grandeurs, activité, dose et débit de dose sont des grandeurs mesurables, qui peuvent être mesurées à l'aide d'appareils de physique
(compteurs, calorimètres, horloges).
Parmi les grandeurs subjectives de la radioactivité, certaines évaluent le risque pour la santé. Tous
les rayonnements n'ayant pas la même nocivité, on définit une dose équivalente
dans laquelle chaque rayonnement doit être pondéré pour tenir compte des différences.
Lorsque le rad était
utilisé comme unité de dose absorbée, l'unité de dose équivalente était le rem,
acronyme de «rad equivalent man». Actuellement, le rem est remplacé par le
sievert (Sv), qui est «Gray equivalent
man» et est une unité du système SI.
crédit: IRSN
La dose équivalente n'est pas mesurable, mais elle est évaluée en fonction de la dose reçue, de
la sensibilité du tissu irradié et de la nature du rayonnement.
E = D*S*Q
E est la dose équivalente,
D est la dose physique absorbée,
S dépend de la sensibilité du tissu, faible pour les muscles
ou la peau, mais important pour les gonades, le système nerveux, les cellules
de la moelle osseuse ou de l'intestin,
Q est un paramètre qui dépend de la nature du rayonnement.
La dose efficace
est plus globale, c'est la grandeur obtenue en multipliant chacune des doses absorbées
(énergie impartie par les rayonnements ionisants aux tissus) dans divers tissus
et organes par le facteur de pondération du rayonnement (pour tenir compte de
la capacité des rayonnements ionisants d’endommager les tissus) et par le facteur
de pondération correspondant à chaque tissu ou organe (pour tenir compte des différentes
susceptibilités des tissus à l’induction d’un cancer), et en faisant la somme
des produits. La dose efficace engagée est la dose efficace accumulée au
cours d’une période suivant une absorption unique de matière radioactive dans
l’organisme.
Pour
la formulation mathématique, voir Wikipédia
4) Lois fondamentales de la radioactivité
Il existe deux lois biologiques et une loi physique:
1ère loi: la radioactivité n’est pas décelable par nos
sens; celle-ci ne se voit pas, ne se sent pas, n’émet aucune chaleur,
elle est insidieuse et pour la détecter et la mesurer il faut utiliser des appareils.
On mesure les doses
avec des dosimètres, et les débits de dose avec des débitmètres.
2ème loi: les effets biologiques des rayonnements ne sont pas instantanés:
il existe un décalage (temps de latence) entre l’irradiation ou la contamination
et la manifestation des effets.
Les
effets sur l’organisme des rayonnements sont différents selon qu’il s’agit d’une
irradiation externe ou interne.
3ème loi: la radioactivité n’est pas constante, elle diminue avec le temps.
On appelle période (T) le temps nécessaire pour que l’activité diminue de moitié.
La décroissance
du phénomène est d’autant plus rapide que la période est plus courte
La période est une caractéristique fondamentale
d’un radioélément de nature donnée ; l’énergie du rayonnement émis par ce radioélément
en est une autre.
La période peut varier depuis une fraction de seconde jusqu’à des milliards
d’années; voici quelques valeurs:
Radon 222: 3,8 jours
Radium 226: 1.620 ans
Plutonium
239: 24.400 ans
5) La radioactivité naturelle
L’homme
vit en permanence dans l’ambiance de la radioactivité naturelle qui est due à
trois facteurs principaux, variables avec le temps et avec le lieu:
- le rayonnement cosmique:
il est constitué par des photons et des particules diverses d’une très grande
énergie venant du soleil et des étoiles,
- les substances radioactives
présentes dans le corps humain: potassium 40, traces de radium, et de ses descendants,
carbone 14,
- les substances radioactives
contenues dans la terre et dans l’atmosphère.
Chaque individu reçoit, en plus de ces différents facteurs dus à la radioactivité
naturelle, une dose variable de rayonnements provenant des sources créées par
l’homme.
Ce
sont, pour une faible part, les retombées provenant des 1.000 explosions environ
d’engins radioactifs nucléaires, la radioactivité
dégagée par les installations nucléaires de toutes natures, les appareils de télévision,
les montres à cadrans lumineux, le tabac, etc., et surtout l’exposition aux rayonnements
à des fins médicales qui représente, en moyenne, une dose égale à la moitié de
celle due à la radioactivité naturelle.
6
- Risques radiologiques et normes de radioprotection
On
considère aujourd’hui qu’en ce qui concerne les effets sanitaires de la radioactivité,
il n’y a pas de seuil d’innocuité, c’est à dire que toute dose même faible conduit
à un certain risque pathologique. Il est admis d’autre part que plus la dose est
importante et plus est élevé le risque de cancers et d’anomalies génétiques. La
relation entre le risque et la dose étant considérée comme linéaire. Ceci a conduit
la Commission Internationale de Protection Radiologique (CIPR) a articuler les
principes de base de la radioprotection autour de trois grands axes (CIPR 60 publiée
en1990):
-
Le principe de la justification des expositions qui stipule qu’aucune pratique induisant
une exposition à des radiations ne devrait être adoptée à moins qu’elle n’engendre
un gain pour les personnes exposées ou pour la société en général, supérieur au
détriment dû aux radiations.
-
Le principe d’optimisation de la protection ou principe ALARA (As Low as Reasonably Achievable) qui précise qu’au sein d’une pratique donnée,
le nombre de personnes exposées, l’ampleur des doses individuelles subies,...devraient
être maintenus à un niveau aussi faiible que possible
compte tenu des contraintes socio-économiques.
-
Les limites de dose individuelles. Il s’agit de garantir que l’exposition
des individus définie comme la somme des expositions attribuables à toutes les
pratiques en cours, reste inférieure à une dose limite
qui définit un niveau maximal du risque acceptable. La CIPR a proposé ainsi en
1990 que l’équivalent de dose maximal admissible pour le corps entier et
pour les personnes du public soit fixé à 1 millisievert
par an (1mSv/an). Cette norme ne s’applique qu’aux doses reçues par la population
en plus de celles dues aux examens médicaux et à la radioactivité naturelle.
Depuis
le 4 avril 2002, la France applique la nouvelle norme de 1 millisievert
par an (1 mSv/an). Cette norme ne fixe pas un seuil
au dessous duquel il n’y aurait plus de risque. C’est pourquoi elle s’accompagne
des principes de justification et d’optimisation des expositions.
La
CIPR considère en effet que si un million de personnes sont exposées à une dose
de 1 millisievert, on peut s’attendre à déplorer dans
cette population 50 cancers mortels, 10 cancers guérissables et 13 défauts génétiques
graves dans la descendance des sujets exposés et ceci en plus du taux normal de
cancers et d’anomalies génétiques.
JP Bachy crédits: Criirad,
EDF, wikipédia
** petit exercice… Le
riz les coquillettes et la mole (crédit Cédric Le Bourg)
1°) Un atome d'hydrogène pèse m(H)=1,661.10-24g, quel
est le nombre d'atomes d'hydrogène contenus dans un gramme de ce gaz ? (on appellera
ce nombre Na)
2°) Nous allons maintenant faire des paquets de Na
atomes pour quelques éléments. Combien pèse chaque paquet ?
Un atome de carbone pèse 1,993.10-23g
Un atome d'oxygène pèse 2,657.10-23g
Un atome de cuivre pèse 1,054.10-22g
Un atome de fer pèse 9,269.10-23g
3°) Comparez les résultats obtenus aux données présentes
dans le tableau périodique dans la case de chaque élément (C, O, Cu, Fe)
Conclusion. En chimie, il est difficile de
toujours compter les atomes (les nombres à manipuler sont toujours très grands
ou très petits), on a donc décidé de simplifier tout cela en comptant par
paquets de Na atomes. On appelle Na le nombre d'Avogadro, On appelle une
mole un paquet de Na atomes. Quand on compte les moles, on dit qu'on
détermine une quantité de matière.
