Peut-on expliquer la radioactivité de façon simple et compréhensible de tous ? Sur Kidiscience, j’ai tenté de relever le challenge. Alors que peut-on en dire ? Comment expliquer le phénomène, quelles en sont ses différentes formes, où trouve-t-on de la radioactivité sur Terre ?
Pour commencer, il faut revenir à l’atome.
Les caractéristiques de l’atome, en général
La matière est constituée d’atomes, c’est-à-dire de grains de matière extrêmement petits, les plus petits grains d’un élément chimique qu’on puisse trouver.
Au centre d’un atome, se trouve un noyau constitué de charges électriques positives appelées protons et de charges neutres (les neutrons) agglutinées ensemble et retenues par une force très puissante : on l’appelle d’ailleurs la force nucléaire forte.
« Nucléaire » ça vient du latin « nucleus » qui signifie « noyau », ce qui explique que l’ensemble « protons » et « neutrons » s’appelle « les nucléons ».
Autour du noyau, des électrons qui eux, ont une charge négative, tourbillonnent à grande vitesse à une certaine distance du noyau. Entre les deux, c’est le vide !
Il y a autant d’électrons que de protons et ils portent la même charge, ce qui fait que l’atome est globalement neutre électriquement.
Le nombre de protons (ou d’électrons) est une caractéristique de l’atome et définit précisément l’élément chimique auquel on a affaire. C’est le numéro atomique. Et c’est d’ailleurs comme ça qu’on les classe, nous en avions parlé dans le billet consacré à la classification de Mendeleïev.
Des variantes
Le nombre d’électrons est toujours égal au nombre de protons pour avoir la neutralité électrique. Par contre, un même élément peut présenter des variantes car le nombre de neutrons peut varier. On a cependant toujours bien affaire au même élément chimique puisque le nombre de protons reste identique. Ces différentes variantes sont appelées « isotopes » de cet élément. On parle ainsi du carbone 14 (14C) ou du carbone 12 (12C) qui possèdent toujours 6 protons, mais 6 neutrons dans le cas du carbone (12C) et 8 dans le cas du (14C).
Que se passe-t-il dans le noyau ?
Comme on l’a dit, les protons et neutrons y sont très fortement « collés » par la force « nucléaire forte », c’est très efficace surtout quand les nucléons ne sont pas trop nombreux : la force agit surtout lorsque les nucléons sont très proches.
Ainsi lorsque les atomes sont très gros parce qu’ils contiennent un nombre important de nucléons qui nécessairement occupent plus de place, la force qui permet de les maintenir en cohésion n’est plus suffisante et ils ont tendance à se désolidariser !
Ces gros noyaux sont donc instables et vont chercher à se réorganiser, se transformer pour gagner en stabilité : cela peut aller très vite, d’une fraction de seconde à des temps beaucoup plus longs comme des milliards d’années ! On peut citer dans cette catégorie l’uranium, qu’on retrouve partout sur Terre. L’uranium 238 par exemple contient 92 protons et 126 neutrons dans son noyau : ça fait un sacré monde !
De même lorsque les nombres de neutrons et protons ne sont pas équilibrés dans certains isotopes -comme dans le potassium 40-, cela crée un « malaise » et là-aussi, le noyau est instable et finit par se réorganiser.
Les noyaux instables sont radioactifs
Comment se passe finalement cette réorganisation ?
Au niveau du noyau, des nucléons en « trop » s’échappent et parfois cela s’accompagne de l’émission de rayons invisibles mais de très haute énergie (encore plus « forts » que des rayons X).
Parfois, il peut aussi y avoir une réorganisation dans le noyau ayant pour conséquence l’éjection d’un électron. On peut ainsi avoir pour un atome instable :
– un rayonnement de particules (on parle de rayonnement alpha ou beta * selon le type de particules qui s’échappe),
– un rayonnement seul sans particule comme un rayon de lumière invisible mais en version bien plus puissante ! Ce sont les rayons gamma !
* Dans le cas du rayonnement beta, les nucléons changent d’identité. Un proton se transforme en neutron ou l’inverse ! Cela s’accompagne de l’émission d’autres particules (comme par exemple, un électron).
Les deux phénomènes peuvent d’ailleurs se produire en même temps et constituent ce qu’on appelle la radioactivité ! Les noyaux instables sont radioactifs, et le fait qu’ils évacuent des particules et un rayonnement s’appelle « la désintégration« .
Désintégration d’un atome par l’émission d’un noyau d’hélium (c’est un rayonnement alpha)
Ainsi le noyau de l’atome instable se transforme, évolue, il perd des bouts de lui (des nucléons sont perdus ou changent d’identité *) : au bout de cette désintégration, il est donc devenu un autre élément chimique, il a changé d’identité. Ce nouvel atome sera stable ou non. S’il ne l’est pas, il émettra à son tour un rayonnement. On obtient ainsi une filiation c’est-à-dire une « famille » d’éléments radioactifs. Le phénomène ne s’arrête que lorsque l’atome final est stable.
La désintégration est le résultat d’un ensemble de forces qui agissent au niveau du noyau et l’une d’elles est la force nucléaire forte.
On peut maintenant se demander d’où viennent ces atomes instables et où ils se trouvent.
De la radioactivité dans la Nature
La radioactivité fait partie intégrante de notre environnement car on retrouve ces éléments radioactifs partout sur Terre notamment dans les roches qui constituent l’écorce terrestre. Ils sont apparus au moment de la formation de notre planète : la synthèse des éléments se produit lors des phénomènes de fusion (des noyaux se rassemblent) dans les étoiles et aussi lors des explosions des supernovae.
Parmi ces atomes dont la plupart est stable, on retrouve des noyaux radioactifs car instables : soit ils possèdent un très grand nombre de nucléons soit ils se caractérisent par un déséquilibre entre les neutrons et protons.
C’est le cas de l’uranium par exemple, dont l’un des isotopes contient 238 nucléons : c’est vraiment beaucoup pour maintenir tout ce monde de particules dans le noyau. Citons aussi le radium, le célèbre élément découvert par Marie Curie (lire ce billet qui lui est consacré).
On peut aussi évoquer le potassium : cet élément est stable avec 39 nucléons (19 protons et 20 neutrons) mais il possède plusieurs isotopes dont le potassium 40 noté 40K avec ses 19 protons et 21 neutrons : c’est un isotope naturel du potassium.
On retrouve l’uranium 238U (et ses descendants) ou le potassium 40K en faible quantité dans des minerais présents un peu partout dans le monde y compris en France mais la teneur varie en fonction de la nature du sol. Et le potassium 40K est présent aussi dans les végétaux, car le potassium est un élément indispensable à leur croissance.
Et puis tout le monde connait aussi le carbone 14 (14C) ! Cet élément qui sert beaucoup aux archéologues pour dater un vieil objet, a une autre origine. En effet, la radioactivité peut également venir des rayons cosmiques qui bombardent l’atmosphère. En frappant les atomes de l’atmosphère , ils génèrent des éléments instables tels que le 14C qu’on retrouve dans la végétation et donc dans l’alimentation. Ajoutons que lorsqu’on voyage en avion ou qu’on séjourne en montagne, nous sommes un peu plus exposés à ces éléments radioactifs de l’atmosphère.
La végétation absorbe une partie de 14Cpar les feuilles (pour la photosynthèse) et 40K par les racines. Les animaux ou les hommes qui consomment cette végétation (les légumes), absorbent à leur tour ces éléments radioactifs.
Bref, nous sommes baignés dans un environnement où partout il y a un peu de radioactivité : les aliments, l’eau et les matériaux de construction de la maison.
Leur contenu est variable selon les pays, le climat, la nature du sol ! Nous mêmes, nous sommes également faits de quelques éléments radioactifs en particulier à cause de notre alimentation (surtout à cause de 40K).
Crédit Dessins : Stefcomics (Alien) et Valentin Baugé (Paysage)