Radioactivité - Définition

Interaction entre les rayonnements et la matière

Pouvoir de pénétration (exposition externe).
Les particules α sont arrêtées par une feuille de papier.
Les particules β sont arrêtées par une feuille d'aluminium.
Le rayonnement γ est atténué (mais jamais arrêté) par de grandes épaisseurs de matériaux denses (écrans en plomb très utilisés).

Les rayonnements ionisants provoquent tous au sein de la matière des ionisations et des excitations. La façon dont se produisent ces ionisations dépend du type de rayonnement considéré :

• rayonnement α : un noyau atomique instable émet une particule lourde chargée positivement constituée de deux protons et de deux neutrons (noyau d'hélium-4). En traversant la matière, cette particule interagit principalement avec le cortège électronique des atomes du matériau traversé, ce qui les excite ou les ionise. Ce mécanisme se produit sur une très courte distance car la section efficace d'interaction est élevée: le pouvoir de pénétration des rayonnements alpha est faible (une simple feuille de papier ou 4 à 5 cm d'air les arrêtent totalement) et par conséquent le dépôt d'énergie par unité de longueur traversée sera élevé. Cette énergie dissipée dans la matière traversée se traduira par des excitations et des ionisations et donne lieu à des rayonnements secondaires.
• rayonnement β- : un noyau atomique instable émet une particule légère et chargée négativement (un électron) qu'une feuille d'aluminium peut arrêter. Cependant ce rayonnement interagit avec la matière en provoquant des excitations et des ionisations par diffusion. Le parcours des électrons dans la matière est plus important que celui des particules alpha (de l'ordre de quelques mètres maximum dans l'air). La perte d'énergie du rayonnement bêta par unité de longueur traversée sera, toute autre chose étant égale, moindre que celle du rayonnement alpha. Il en sera donc de même du nombre d'excitation et d'ionisation produite par unité de longueur. Dans certains cas (électron de forte énergie et matériau traversé de masse atomique élevée) l'émission d'un rayonnement de freinage électromagnétique est possible.
• rayonnement β+ : un noyau atomique instable émet une particule légère et chargée positivement (un positron) qui interagit immédiatement avec un électron du milieu provoquant son annihilation et la production de deux rayons gamma de 511 keV chacun.
• rayonnement γ : un noyau atomique qui ne souffre pas d'un déséquilibre baryonique, mais qui se trouve dans un état d'énergie instable, émet un photon très énergétique, donc très pénétrant, pour atteindre un état d'énergie stable ; il faut 1.6 centimètres de plomb pour l'atténuer. Il n'y a guère de différence entre les rayons X durs et le rayonnement γ — seul leur origine les différencie. En général, l'émission de rayons γ suit une désintégration α ou β, car elle correspond à un réarrangement des nucléons, et notamment à une réorganisation de la charge électrique à l'intérieur du nouveau noyau. On rencontre donc fréquemment un noyau radioactif émettant simultanément plusieurs types de rayonnements : par exemple, l'isotope 239 du plutonium (²³⁹Pu) est un émetteur α–γ, l'isotope 59 du fer (⁵⁹Fe) est un émetteur β–γ. Le rayonnement gamma est un faisceau de photons sans charge électrique ni masse. En traversant la matière, il provoque trois types d'interactions :
  • l'effet photo-électrique ;
  • la création de paires ;
  • l'effet Compton.

Ces mécanismes produiront, in fine, des excitations et ionisations dans le matériau traversé. Le rayonnement gamma et les neutrons ont un fort pouvoir de pénétration dans la matière [plusieurs décimètres de béton pour le rayonnement γ ; un écran en plomb d'une épaisseur de 50 mm arrête 90 % du rayonnement γ (« écran dixième »)].

• Rayonnement neutronique : la fission nucléaire et la fusion nucléaire produisent des neutrons en quantités importantes. Ces neutrons se diffusent dans l'environnement du réacteur. Ils nécessitent des protections neutroniques et des compteurs dosimétriques spécialisés.

La nature des lois physiques permettant de calculer les parcours ou l'atténuation des rayonnements dans la matière est différente selon les rayonnements considérés :

• les rayonnements gamma et les flux neutroniques ne sont jamais complètement arrêtés par la matière. C'est pourquoi le flux de photons émergeant d'un écran sera faible, voire quasi-indétectable, mais jamais nul. Voir Couche de demi-atténuation ;
• les lois physiques qui traduisent le parcours des rayonnements alpha et bêta montrent qu'au-delà d'une certaine distance, il est impossible que des particules puissent être retrouvées : le rayonnement incident peut donc être complètement bloqué par un matériau qui joue le rôle d'écran. Voir Parcours d'une particule.