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Dans la rubrique consacrée au monde matériel, nous nous sommes préoccupés de la taille des objets, en particulier à l'échelle nanométrique et ce que nous savons des atomes et des molécules. Maintenant, nous comprenons la structure des atomes, notamment le noyau, et nous pouvons étudier certains des aspects les plus intéressants de ce que le noyau peut faire. Une des plus importantes branches de l'étude de la physique nucléaire est la radioactivité, un phénomène naturel de certains noyaux. La radioactivité est partout autour de nous, dans le sol, l'espace et même en nous. Nous sommes constamment exposés à des radiations, et pas seulement lorsque nous devons avoir une radiographie, il est donc vital que nous comprenions comment la radioactivité fonctionne.
Dans cette rubrique, nous allons discuter de la découverte de la radioactivité, puis de ses causes et de son origine et, enfin, comment elle interagit avec le monde qui nous entoure.

La radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel, alors qu'il travaillait avec des rayons X. On croyait que les matériaux contenant de l'uranium absorbaient la lumière du Soleil et émettaient des rayons X. Becquerel avait prévu une expérience pour démontrer cet effet en utilisant une plaque photographique, puisque les rayons X étaient connus pour noircir ces plaques. Le jour de l'expérience, le ciel était couvert, donc Becquerel a considéré que l'expérience avait été un échec. Heureusement, il a tout de même décidé de développer la plaque photographique et a constaté que le composé avait émis des rayonnements malgré l'absence de soleil, réfutant la théorie précédente. Son action suivante a été de savoir si oui ou non il s’agissait de rayons X ou d’une autre forme de rayonnement. Pour ce faire, il a placé la source de rayonnement dans une chambre à vide avec un champ magnétique et présenté une plaque photographique, comme indiqué sur le schéma. Les rayons X sont connus pour être neutres, ils ne peuvent donc pas être déviés dans des champs magnétiques. Cependant, après avoir développé sa plaque photographique, il a montré que la radiation avait été courbée par le champ. Quand il a changé la source, il a constaté que le rayonnement a été dévié dans le sens inverse et, dans un autre cas, pas du tout. Cela a montré qu'il y avait trois types de rayonnement émis par la matière : des rayonnements de charge électrique positive, négative et neutre. 
De nombreux scientifiques ont consacré leur carrière à la recherche sur ce nouveau phénomène, y compris Marie et Pierre Curie, qui ont découvert d’autres éléments radioactifs, le polonium et le radium. Rutherford, le scientifique dont nous avons déjà parlé, qui est à l’origine de la découverte du noyau des atomes, a également travaillé sur la radioactivité, afin d’enquêter sur les différents types de sources et de leurs propriétés. C'est Rutherford qui a inventé les noms des différents types : alpha, bêta et gamma, après les lettres de l’alphabet grec. Nous avons déjà mentionné les particules alpha, quand elles ont été utilisées pour sonder l'intérieur des atomes d'or par Rutherford , mais maintenant nous allons les regarder plus en détail. Mais tout d'abord, nous savons que nous pouvons trouver la radioactivité dans des sources telles que les composés d’uranium. Mais où peut-on en trouver ailleurs et qu’est-ce que c’est exactement ?

Nous avons constaté que certains éléments sont radioactifs, tandis que d'autres ne le sont pas. Cela implique que la radioactivité est générée au niveau atomique, nous devons donc regarder les atomes, en particulier leurs noyaux, afin de mieux comprendre. Il existe trois types de rayonnement qui résultent des atomes radioactifs : alpha, bêta et gamma. Il s'agit de particules ou de l'énergie émise par le noyau de l'atome quand le noyau est instable, ou encore la désintégration des atomes en raison de leur instabilité. Alors, pourquoi certains atomes sont instables et d'autres pas? Cela est expliqué dans une autre rubrique, mais pour l'instant disons simplement que cela est dû au nombre de nucléons dans le noyau, en particulier le rapport des protons sur les neutrons. Les différents types de rayonnement sont émis du fait de différents types d’instabilité. C'est pourquoi différentes sources émettent des rayonnements différents.  
L'instabilité ne se limite pas à certains noyaux. Même les protons se désintègrent finalement, mais le temps que cela va prendre est d'environ 1034 ans! Donc, à l’échelle de la vie humaine sur Terre, les protons sont considérés comme stables.
Maintenant que nous avons une idée de ce que le rayonnement est réellement, nous pouvons voir où nous pouvons le trouver.    

La radioactivité ne se limite pas à ces éléments dangereux que nous avons découverts, comme l'uranium ou le radium. Ce sont les sources les plus fortes que nous connaissons, mais la radioactivité est présente en quantités beaucoup plus faibles dans de nombreux autres endroits. Le rayonnement que Becquerel a trouvé en provenance de l'uranium provient aussi de roches, de l'espace, de l'air que nous respirons, de l'eau que nous buvons, de la mer où nous nageons et de nos propres corps. Vous pourriez être surpris d'apprendre que vous et toutes les personnes que vous connaissez sont radioactifs, et vous pouvez même penser que cela pourrait être causé par le monde technologique moderne, avec les centrales nucléaires, les ordinateurs et l’imagerie médicale par rayons X, mais vous auriez tort. Tant qu'il y a eu de la vie sur Terre, toutes les plantes et les animaux ont été radioactifs. La radioactivité fait partie de l'histoire de la vie sur terre. Alors regardons plus en détail où exactement nous avons trouvé de la radioactivité.

La Terre

Les éléments radioactifs sont partout autour de nous dans la terre. De nombreux minéraux, en particulier le granit, contiennent des composés d’uranium. En fait, l'uranium est à peu près aussi abondant dans le sol et les roches que dans les métaux tels que l’étain, le zinc ou le tungstène. Toutefois, d'autres composés radioactifs sont beaucoup plus fréquents, comme le thorium, qui est environ trois fois plus abondant sur Terre que l’uranium. Au XIXe siècle, juste avant que l'éclairage électrique prenne l’avantage sur le gaz, l'oxyde de thorium a été utilisé pour que les lampes au gaz brillent d’une lueur vive. Au XXIe siècle, le thorium pourrait bien être un combustible pour les centrales nucléaires. L'image montre l'abondance de l'uranium dans les roches. Elle montre un poids de 10 kg à côté de trois fils avec un poids combiné de 30 milligrammes. C'est le rapport de l'uranium dans la roche sur la Terre.

Ainsi, nous pouvons détecter l'uranium et autres matières radioactives dans les rochers. Ce rayonnement contribue pour une grande part à ce que nous appelons la radioactivité naturelle. C'est ce à quoi nous sommes soumis pendant toute la durée de nos vies dans nos environnements. Nos corps ont les moyens de faire face à cela, comme vous le verrez. En Europe, dans le sud-ouest de l’Angleterre, le sol est composé principalement de granit et de sorte que le rayonnement de fond dans ce domaine est plus élevé que dans le reste du pays, qui est faite d calcaire. Les régions du centre de la France ont des niveaux très élevés de rayonnement dû au gaz de radon des roches. Outre les rochers, il y a d'autres facteurs qui contribuent au rayonnement de fond auquel nous sommes soumis.

L'espace

Dans le vaste univers, il y a de nombreuses sources pour de nombreux types de rayonnements, y compris les radiogalaxies avec jets superluminiques (plus rapides que la vitesse de la lumière), les trous noirs et même seulement les planètes de notre système solaire. Les astronomes utilisent des télescopes spécialisés pour rechercher ces types de rayonnements, qui comprennent les rayons X et les rayons gamma. Ces sources émettent dans toutes les directions et même le rayonnement d'objets à centaines de milliers d'années-lumière peut nous atteindre. Ce que nous détectons de ces sources errantes de rayonnement est appelé rayonnement cosmique. Vous mesurez d’autant plus de rayonnement cosmique que vous grimpez. Sur le sommet des montagnes, il en sera détecté beaucoup plus qu'au niveau de la mer, car ils doivent traverser moins d'atmosphère. 
Il est difficile d’échapper aux rayons cosmiques et ils sont parfois une grande gêne pour les scientifiques. Parfois, il est nécessaire de mesurer de très faibles radioactivités. Cela peut être lorsque l'on étudie de très faibles, très lointaines sources gamma, qui émettent seulement une petite quantité de rayonnement dans notre direction, ou même lorsque l'on étudie l'expansion de l'univers et le rayonnement micro-ondes qui l'accompagne.

Il serait vain de mesurer de très faibles radioactivités à la surface de la Terre, alors qu’elle est complètement obscurcie par l’abondance des rayons cosmiques. C'est pourquoi les scientifiques installent certaines expériences dans des mines profondes de 1500 m ou plus, en se souvenant de toujours éviter le granit avec beaucoup d’uranium, bien sûr. Une expérience qui exige de telles mesures a pour but de détecter un type de particule fondamentale, dont nous reparlerons plus loin, appelée neutrino.

L'image de la côté droite montre un détecteur de neutrinos située 11km au-dessous du sommet d'une montagne en Italie.

L'eau de mer

Comme les rivières coulent sur les roches et les sols, elles emportent avec elles toutes sortes de sels minéraux dissous dans l'eau. Avec le temps, l'eau s'évapore au soleil, les sels se concentrent. Comme la plupart des roches contiennent de l'uranium, il n'est pas surprenant que les mers contiennent également des sels d'uranium. Cela rend la mer un peu radioactive, et pas seulement à cause de l'uranium. Parmi d'autres substances, il y a aussi 40K (prononcé potassium-40). Cette forme de potassium est la principale substance qui rend notre corps radioactif.
En moyenne, l'eau de mer contient environ trois milligrammes d'uranium pour mille litres, c'est à dire pour chaque mètre cube. Pas grand-chose, peut-être, mais il est dit que si le coût de l'extraction de l'uranium de la mer pourrait être réduit à environ un dixième de ce qu'elle est maintenant, alors l’uranium pourrait être extrait de la mer à profit! Si les sources actuelles d'uranium sont épuisées, les centrales nucléaires pourraient en effet fonctionner sur l'uranium extrait de l'eau de mer.

Dans l'air

L'air que nous respirons contient une petite quantité d'un isotope radioactif du carbone, connu sous le nom de 14C (prononcé « carbone quatorze », vous verrez 14C ou carbone-14 écrit dans certains livres). Les atomes de carbone-14 sont le résultat de l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère. Les rayons cosmiques subissent de nombreuses transformations, qui peuvent inclure la production de neutrons thermiques. Ces neutrons interagissent avec les atomes d'azote 14 dans l'atmosphère lors d’une réaction nucléaire qui produit des atomes de carbone-14 et des protons. Ces atomes de carbone vont ensuite produire des molécules de dioxyde de carbone. Les plantes extraient le dioxyde de carbone à partir de l'air en vue de la photosynthèse et pour faire du sucre et de la cellulose. Ce procédé entraine ainsi l'absorption du carbone -14. Il passe ensuite en nous quand nous mangeons les plantes, ou même quand nous mangeons des animaux qui ont mangé ces plantes. Le fait que tous les êtres vivants absorbent du carbone 14 jusqu'au jour de leur mort peut être utilisé pour dater les restes qui ont été dans le sol pendant des centaines ou des milliers d’années. Ce processus exige de considérer la demi-vie des atomes radioactifs, une caractéristique qui est présentée dans une autre rubrique.

En nous

Chaque jour, la nourriture que nous mangeons contient deux ou trois grammes de potassium. Cela signifie que, pour chaque kilogramme de poids corporel, environ 50 atomes de potassium décroissent et émettent des particules radioactives dans notre corps chaque seconde! Rappelons aussi que lorsque nous mangeons des plantes (ou les animaux qui ont mangé des plantes), nous absorbons des atomes de carbone 14 qui sont aussi radioactifs. Il y aura aussi des traces d'autres éléments radioactifs, même de l'uranium. S'il vous arrive d'avaler de l'eau de mer à la plage, vous pourrez absorber une petite quantité d'uranium, car toute l'eau de mer contient de l'uranium.
Nous avons déjà vu comment les rayons cosmiques produisent du carbone 14, qui est utilisé pour produire des hydrates de carbone lorsqu'ils sont ingérés par les plantes et par conséquent, les animaux, et nous-mêmes. Le carbone-14 va ensuite entrer dans la chaîne alimentaire et tous les êtres vivants peuvent être exposés.

De fortes doses de radioactivité peuvent être mortelles et des milliers de personnes sont mortes du fait des radiations à la suite des bombes nucléaires larguées sur le Japon en 1945. Plus récemment, en 1986, 31 personnes ont été tuées par les radiations lorsque la centrale nucléaire de Tchernobyl en Ukraine a explosé. Vous pouvez en savoir plus sur ces sujets dans la rubrique « Avantages et Risques » et la rubrique historique.
Les quantités de rayonnement qui sont connus pour porter atteinte à la santé sont beaucoup plus grandes que le rayonnement de fond des rayons cosmiques, des rochers, etc. Chacune de nos cellules qui pourraient être endommagés par ces sources peut se réparer, seules quelques-unes seront endommagées. Pour les grandes doses de rayonnement, un grand nombre de cellules sont endommagées sans espoir de réparation, ce qui explique pourquoi cela peut être dangereux. Nous savons que les plantes et les animaux ont vécu et évolué avec la radioactivité pendant des milliards d’années. Donc, le fait que la radioactivité soit dangereuse dépend de combien nous en recevons. Même trop de sel peut tuer des gens, c'est pourquoi les gens à la dérive sur l'océan peuvent mourir de soif ! Comme on dit, trop de n'importe quoi est une mauvaise chose.
Alors, comment savons-nous à partir de combien de rayonnement, c’est «trop» ? Tout d’abord, nous devons comprendre les différents types de rayonnements et de quelle façon chacun est dangereux. Nous découvrirons à quel niveau de rayonnement cela devient dangereux dans notre rubrique sur l'activité et l'interaction avec la matière.

Nous avons déjà brièvement dit ce qu’est la radioactivité : c'est la désintégration des atomes instables et l'émission subséquente d'une particule ou d'énergie. Maintenant, nous allons regarder ce que fait un atome instable et comment fonctionnent les différents types de rayonnements.

Les isotopes

Nous savons déjà que les atomes sont constitués d'un noyau fait de protons et de neutrons avec des électrons en orbite autour du noyau. Nous savons également que les atomes sont électriquement neutres, tandis que les ions, qui ont perdu ou gagné des électrons, sont chargés électriquement. La clé pour comprendre la radioactivité se trouve dans les isotopes.
Nous avons parlé de la radioactivité du carbone-14, tandis que le carbone-12 est stable. Alors, qu’est-ce qui rend le carbone-14 différent du carbone-12 ? La différence réside dans leurs noyaux. Pour que ces deux atomes soient du carbone, ils doivent avoir le même nombre de protons, ou le même numéro atomique. C'est ce qui fait d’un élément ce qu’il est. Si nous changeons le nombre d'électrons de l'atome, cela va seulement le transformer en ion. C'est pourquoi nous devons modifier le nombre de neutrons. Donc, nous disons que le carbone-14 est un isotope du carbone-12, et a comme seule différence d'avoir un supplément de deux neutrons dans le noyau, donc une masse différente mais le même élément global.
Il existe de nombreux isotopes de chaque élément. Un exemple célèbre est le deutérium, un isotope de l’hydrogène avec un neutron et un proton. Il peut être utilisé pour rendre l'eau lourde, ce qui a de nombreuses utilisations intéressantes, y compris la détection de neutrinos et la modération des réacteurs nucléaires.
Les isotopes instables sont souvent très utiles dans les procédures médicales, et peuvent être utilisés en raison de leur courte durée de vie en toute sécurité avant qu'ils ne décroissent. Le problème est que ces substances ne peuvent être trouvées naturellement sur Terre et donc doivent être fabriquées dans les hôpitaux avec des machines appelées cyclotrons, qui accélèrent des atomes à de très grandes vitesses sur une trajectoire circulaire en utilisant des électroaimants. Les cyclotrons sont disponibles en plusieurs tailles différentes, en fonction de l'utilisation et de l'isotope qui est produit. Dans les machines, les noyaux entrent en collision avec des particules chargées et le radio-isotope est produit. Le terme isotope radioactif est utilisé pour les isotopes qui sont instables et radioactifs.
Les versions les plus stables des éléments sont ceux listés dans le tableau périodique et sont les isotopes les plus fréquents dans la nature. Cependant, ils ne sont pas fréquents en raison de leur stabilité, mais parce que les isotopes instables ont décru dans les éléments les plus stables. Alors, qu’est-ce qui rend un isotope plus stable qu’un autre?

Stabilité

Dans la rubrique consacrée aux noyaux, nous avons mentionné brièvement que les nucléons sont maintenus ensemble par l’interaction forte, qui surpasse la répulsion électrostatique entre les protons. C'est la clé pour comprendre la stabilité des noyaux. Les neutrons comme les protons sont affectés par l’interaction forte, cependant seuls les protons se repoussent entre eux. Les neutrons servent donc à renforcer la force de maintien du noyau sans ajouter à la répulsion électrostatique.
Vous pensez peut-être que plus un noyau a de neutrons, plus il devrait être stable, d’après ce que nous venons de discuter. Cependant, ce n'est pas le cas. Les noyaux sont seulement stables pour une gamme spécifique de ratios de protons et de neutrons, environ de 1 à 1,6. En dehors de ces ratios, le noyau sera instable et se désintègrera. Par exemple, l'azote est stable et a un rapport de 1: il a 7 neutrons et 7 protons. Le plomb, qui est également stable, possède 82 protons et 126 neutrons, avec un ratio de 1,54. Un graphique montrant la région de stabilité en fonction du nombre de protons et de neutrons est affiché. Il mentionne également trois mécanismes de désintégration selon l'endroit où le noyau se trouve sur ce graphique.

Si un noyau est déficient en protons, il subira une désintégration bêta. Toutefois, s’il est déficient en neutron, il se désintègre via le chemin inverse, en émettant un positon (aussi appelée radioactivité bêta plus). Une alternative à cela est un processus appelé capture d’électrons, dans lequel le noyau " absorbe " un électron, ce qui revient au même résultat que la radioactivité bêta plus. Pour les noyaux très massifs, il est bénéfique de perdre de la masse lors de la décroissance, car, en général, des noyaux plus légers sont beaucoup plus stables, de sorte que ces noyaux se désintègrent en émettant des particules alpha ( deux protons et deux neutrons) . Quand les atomes ont subi une désintégration bêta ou alpha, leur nombre de protons dans le noyau change, ce qui modifie l'élément lui-même, un processus appelé transmutation. Vous avez peut-être entendu parler d'une étude appelée alchimie dans laquelle des scientifiques se sont engagés avant que nous comprenions les éléments. Ces scientifiques ont essayé de transformer certaines substances en différents éléments, principalement l'or, ce qui correspond à la transmutation. C’est ce qui se passe pour chaque noyau instable, parfois plusieurs fois avant de devenir stable. Chacun des mécanismes de décroissance sont discutés dans une autre rubrique.

L’énergie de liaison

Un aspect très important de la physique nucléaire est l'énergie de liaison. Il existe plusieurs types d'énergie, mais dans notre intérêt, nous allons examiner l'énergie de liaison nucléaire. Il s'agit de la quantité d'énergie que vous auriez besoin de mettre dans un noyau afin que les nucléons puissent surmonter leur attraction et être séparés en nucléons individuels. L'énergie de liaison d'un noyau entier est inférieure à la somme des énergies de ses constituants, ce qui est une autre façon pour le noyau de se maintenir. Il est plus énergétiquement favorable (c'est à dire l'énergie est plus faible) pour les nucléons de rester dans les noyaux plutôt que d'être séparés. Un concept au sein de cette branche est l'énergie de liaison par nucléon.

Il y a une limite à la masse d'un noyau au cours de laquelle l’interaction forte ne sera plus en mesure de conserver les nucléons ultrapériphériques. Le plus grand noyau connu est celui de l'uranium, qui compte 238 nucléons. Cependant, même ce noyau est très instable; comme nous le savons, l’uranium est radioactif, il doit donc subir une désintégration.
La désintégration alpha permet au noyau de perdre de la masse pour améliorer sa stabilité en émettant une particule alpha ou noyau d’hélium. Le noyau émettant perdra quatre nucléons, deux protons et deux neutrons, et subira la transmutation en raison de la perte de protons. Ce sont les particules alpha qui ont été utilisées dans l’expérience de diffusion de Rutherford pour sonder les atomes.

Comme nous l'avons dit, la désintégration alpha agit en diminuant la masse, mais elle est seulement possible lorsque l'énergie de liaison par nucléon n'est pas au minimum. Pour les éléments avec des noyaux plus lourds que le nickel, cependant, elle n'a en fait été observée que pour les noyaux les plus massifs de l'élément tellure et au-dessus. La désintégration alpha est un exemple d’un processus appelé « effet tunnel quantique ». Le noyau d'un atome crée un puits d’énergie potentielle, comme représenté sur la figure, qui piège des particules alpha qui existent déjà à l'intérieur du noyau. L'énergie de la particule doit être supérieure à la hauteur du puits afin que la particule s'échappe du noyau. En mécanique classique, il ne serait pas possible pour la désintégration alpha de se produire, car les particules alpha ne seraient jamais en mesure de quitter le noyau. Cependant, la mécanique quantique permet ce tunnel, dans lequel il y a une petite chance statistique que la particule alpha puisse exister en dehors du puits, et il peut donc traverser la barrière et apparaitre en dehors du noyau.

Une des premières caractéristiques utilisées pour différencier les types de rayonnement est la quantité de matériel que ce rayonnement pouvait pénétrer . Les particules alpha sont massives et ont des vitesses relativement faibles, elles sont donc très susceptibles d'interagir avec les particules avec lesquelles elles entrent en contact. Cela signifie qu'elles ne peuvent traverser quelques centimètres d' air ou une mince feuille de papier ou d'aluminium.
Il existe de nombreuses sources alpha, l'une des plus célèbres étant l'uranium. Lorsque l’uranium se désintègre, il émet une particule alpha et transmute en thorium.

238U → 234Th + α

Ce n'est que la première étape de la désintégration de l’uranium, car il va suivre de nombreuses autres étapes avant de devenir complètement stable. La réaction nucléaire pour la désintégration de l'uranium en thorium est montrée dans l'équation. Ici, l'atome d'hélium est en fait un noyau d’hélium, ou un ion d’hélium 2+, car l'atome a perdu deux électrons, il devient ainsi donc déséquilibré et a 2 charges +.