I - L'Etudiant

INTRODUCTION La radioactivité est un phénomène exclusivement naturel jusqu'en 1934 où
Irène et Frédéric Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle.
Cette découverte est rapidement exploitée par l'Homme, autant dans le
domaine médical que dans celui du nucléaire ou de l'industriel. Dès lors,
le corps humain est constamment soumis à la radioactivité, naturelle ou
artificielle. Celle-ci, ne se voit ni ne s'entend. C'est pourquoi elle
engendre la peur ; peur justifiée : son emblème, sorte de trèfle à trois
feuilles noires sur fond jaune, signale le danger pour l'Homme. Cependant,
plusieurs générations de chercheurs ont su la mettre au profit de la
médecine afin de diagnostiquer et de soigner l'organisme.
Nous pouvons donc nous demander : comment la radioactivité a-t-elle
contribué d'une part à des avancées technologiques et d'autre part dans le
traitement de certaines pathologies ?
Ainsi, pour saisir l'importance de la radioactivité dans le domaine
médical, il nous faut d'abord, comprendre ce qu'est la radioactivité et ses
conséquences sur le corps humain.
I. Qu'est-ce que la radioactivité ? Il y a plus de cent ans, Henri Becquerel, Pierre et Marie Curie
recevaient le prix Nobel de Physique pour la découverte de la radioactivité
naturelle. Cette découverte marquera un tournant dans l'histoire des
sciences, modifiant du tout au tout nos vues sur la matière .La
radioactivité n'est pas une invention de l'Homme mais un phénomène
nucléaire qui a toujours existé, une sorte d'alchimie naturelle.
Comment ce phénomène a-t-il été découvert ?
A. L'histoire d'une découverte
1895 : Wilhelm K. Röntgen découvre les rayons X. Sa découverte sera à
l'origine des travaux d'Henri Becquerel.
1896 : Henri Becquerel découvre que l'uranium émet un rayonnement inconnu
qu'il nommera « les rayons uraniques ».
1897 : Joseph John Thomson découvre l'électron
1898 : Pierre et Marie Curie découvrent le polonium et le radium
1899 : Ernest Rutherford identifie les rayons ? et ?
1900 : Paul Villard découvre le rayonnement ?
1903 : Ernest Rutherford et Frédérick Soddy établissent la théorie des
réactions nucléaires
1905 : Albert Einstein énonce la formule de l'équivalence de la masse et
de l'énergie : E=mc²
1910 : Marie Curie prouve que le radium est un élément radioactif. Elle
établit sa masse atomique
1912 : Ernest Rutherford et Niels Bohr proposent un modèle planétaire
pour l'atome (système solaire en miniature)
1913 : Ernest Rutherford découvre le proton
1912 : James Chadwick découvre le neutron. Carl Anderson met en évidence
le positon.
1933 : Wolfgang Pauli postule l'existence du neutrino.
1934 : Irène et Frédéric Joliot Curie découvrent la radioactivité
artificielle.
1938 : Ottan Hahn et Fritz Strassmann découvrent la fission des noyaux
d'atomes lourds sous l'action des neutrons.
1939 : Hans Von Halban, Fréderic Joliot et Lew Kowarski démontrent que la
fission de l'uranium peut provoquer une réaction en chaîne.
1945 : La bombe atomique éclate à Hiroshima et Nagasaki ; création en
France du Commissariat à l'énergie atomique (CEA) |Lauréat |Année |Discipline |
|W. K. Röntgen |1901 |Physique |
|Becquerel Henri Antoine |1903 |Physique |
|Curie, Marie |1903 |Physique |
| |1911 |Chimie |
|Joliot- Curie, Irène et Fréderic|1935 |Chimie |
|Ernest Rutherford |1908 |Chimie |
|Soddy Frederick |1902 |Chimie |
| |1921 |Chimie |
B. Les différents rayonnements :
Tous les éléments sont constitués d'atomes, c'est-à-dire de noyaux autour
desquels gravitent des électrons. Le noyau est environ 100 000 fois plus
petit que l'atome lui-même. La masse de ce dernier est pourtant
essentiellement concentrée dans ce noyau, constitué de 2 sortes de
nucléons : les neutrons, de charge électrique nulle, et les protons de
charge électrique positive. En revanche, les électrons, de masse
négligeable, ont une charge électrique négative.
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Figure 1:L'atome
Un atome possède autant de protons que d'électrons, il est donc
électriquement neutre. Si un atome perd ou gagne des électrons, il
devient un ion.
En général, le noyau possède une force de cohésion suffisante pour qu'il
ne bouge pas, c'est un élément stable. Mais parfois, le noyau est trop
lourd : il est instable ; il « vomit » en quelque sorte des particules...
Que se passe-t-il au sein de l'atome ?
D'habitude, les protons, qui portent des charges électriques
positives, se repoussent entre eux. En revanche, les neutrons et les
protons s'attirent mutuellement. Lorsque les forces d'attraction
équilibrent les forces de répulsion, le noyau est stable. Par contre, si
ces forces ne se compensent pas le noyau est instable. Il va alors se
transformer en d'autres noyaux ayant des propriétés différentes, tout en
émettant des rayonnements : on dit qu'ils se désintègrent. Il y a une
transmutation de la matière. C'est ce phénomène que l'on nomme la
radioactivité.
La radioactivité est donc une désintégration de l'atome par émission de
rayonnements.
Quels sont ces rayonnements ?
Il existe trois sortes de rayonnements : rayonnements ?, ? et ?.
-Le rayonnement ? (alpha) : Il concerne les noyaux qui possèdent un excès
de nucléons, c'est-à-dire de protons et de neutrons. Ainsi, ils cherchent
un gain de stabilité en expulsant des noyaux d'hélium (deux protons et
deux neutrons). Par exemple, le radium, de masse atomique A= 226, se
transforme en radon de masse atomique A= 222 en rejetant un noyau
d'hélium.
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Figure 2: le rayonnement alpha
Cependant, si le noyau est encore trop lourd, il se casse spontanément en
deux noyaux identiques avec émission de neutrons: c'est la fission
spontanée.
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Figure 3: fission d'un atome -Le rayonnement ? : on distingue deux sortes de radioactivités ?
Le rayonnement ?- concerne les noyaux possédant un excès de neutrons
qu'ils transforment en protons par émission d'un électron et d'une petite
particule neutre, de masse extrêmement faible : l'antineutrino
électronique.
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La radioactivité ?+ concerne des radionucléides possédant un surplus de
protons qu'ils transforment en neutrons par émission d'un positon (électron
positif, antimatière de l'électron) et d'un neutrino électronique,
homologue de l'antineutrino.
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On trouve également une autre alternative à la désintégration ?+ :
c'est la capture électronique, ou capture K : certains noyaux possédant
un excès de protons absorbent un électron proche (électron K) de manière
à transformer un proton en neutron. Un électron peut alors prendre la
place laissée vacante dans le cortège électronique.
-Le rayonnement ? (gamma) : c'est un rayonnement électromagnétique de
même nature que la lumière visible et les rayons X : il est formé de
photons. Cette radioactivité accompagne les précédentes dans les cas où
le noyau fils, émis alors avec une énergie supérieure à la normale,
évacue ce « trop-plein-d'énergie » sous la forme de rayonnements
électromagnétiques. Il y a alors désexcitation du noyau fils.
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Les rayonnements ?, ? et ? sont classés en fonction de leur pouvoir
de pénétration.
Le rayonnement ?, émettant de grosses particules à une vitesse de 15 000
km/s, peut être arrêté par une simple feuille de papier.
Le rayonnement ?, émettant des particules plus petites à une vitesse de
270 000 km/s, franchit facilement une feuille de papier mais est arrêté
par une simple feuille métallique, plusieurs mètres d'air ou quelques
millimètres d'aluminium.
Le rayonnement ?, en revanche, est très pénétrant. Il est formé de
photons dont la vitesse est de l'ordre de 300 000 km/s et ne peut donc
être arrêté que par plusieurs mètres de béton ou plusieurs décimètres de
plomb.
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La désintégration des noyaux radioactifs par ces rayonnements permet
d'obtenir la stabilité des nouveaux noyaux.
Par exemple, le résultat de la chaîne de désintégration de l'uranium 238
est le plomb 206, noyau stable avec 82 protons et 124 neutrons. Tous les
éléments participant à cette désintégration constituent la famille
radioactive de l'uranium (l'ensemble des noyaux issus d'un même noyau
« père » forment une famille radioactive).
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Figure 4:chaîne de désintégration de l'uranium 238
Rutherford et Soddy furent les premiers à mettre en évidence une durée
caractéristique de chaque élément radioactif, la demi-vie (ou période),
durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs d'un
échantillon se sont désintégrés.
Au bout de deux demi-vies, subsisteront en moyenne un quart des noyaux
initiaux (la moitié de la moitié) ; au bout de trois demi-vies, un
huitième (la moitié du quart), et ainsi de suite...
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