Worldlex Wiki La désintégration radioactive est un processus aléatoire à l'échelle atomique : il est impossible de prédire la date de désintégration d'un atome donné. Pour un ensemble d'atomes d'un même nucléide, on peut mesurer leur taux de désintégration moyen et calculer leur demi-vie ( t <sub>1/2</sub> ). Les demi-vies varient sur 55 ordres de grandeur et n'ont pas de limites connues.
Tous les éléments chimiques possèdent des radionucléides ; même l’ hydrogène , le plus léger , contient un radionucléide bien connu, le tritium (contrairement à l’hélium , au lithium et au bore, qui n’en possèdent aucun dont la demi-vie soit supérieure à une seconde). Les éléments plus lourds que le plomb ( Z > 82), ainsi que le technétium et le prométhium , ne possèdent que des radionucléides et n’existent pas sous forme stable. Le bismuth, quant à lui , peut être considéré comme stable, la demi-vie de son isotope naturel étant plus d’un billion de fois supérieure à l’ âge actuel de l’univers .
les sources de neutrons telles que les réacteurs nucléaires , ainsi que les accélérateurs de particules tels que les cyclotrons .Les rayonnements émis par les radionucléides ont généralement un effet nocif sur les organismes , y compris l'être humain , même si une faible exposition se produit naturellement. Le degré de nocivité dépend de la nature et de l'intensité du rayonnement ( alpha , bêta , gamma ou neutronique ), de la quantité et du mode d'exposition (contact direct, inhalation ou ingestion ) et des propriétés biochimiques de l'élément ( toxicité ). Un risque accru de cancer est inévitable et, dans les cas les plus graves, peut induire un cancer , un syndrome d'irradiation chronique ou un syndrome d'irradiation aiguë . Les radionucléides peuvent être utilisés comme armes par le biais des retombées radioactives des armes nucléaires et des armes radiologiques .
Les radionucléides sont utilisés en médecine nucléaire à des fins diagnostiques et thérapeutiques. Un traceur d'imagerie fabriqué à partir de radionucléides est un traceur radioactif . La thérapie par radionucléides est une forme de radiothérapie . Un médicament fabriqué à partir de radionucléides est appelé un radiopharmaceutique .
Origines
Naturel
Sur Terre, les radionucléides naturels se répartissent en trois catégories : les radionucléides primordiaux, les radionucléides secondaires et les radionucléides cosmogéniques .
- Les radionucléides sont produits lors de la nucléosynthèse stellaire et des explosions de supernovae, en même temps que les nucléides stables. La plupart se désintègrent rapidement, mais certains peuvent être observés astronomiquement et contribuent à la compréhension des processus astrophysiques. Les radionucléides primordiaux, tels que l'uranium et le thorium , existent encore car leur demi-vie est si longue (plus de 100 millions d'années) que le contenu initial de la Terre ne s'est pas encore complètement désintégré. Certains radionucléides ont une demi-vie si longue (plusieurs fois l'âge de l'univers) que leur désintégration n'a été détectée que récemment, et, pour la plupart des applications pratiques, ils peuvent être considérés comme stables, notamment le bismuth-209 : la détection de cette désintégration a signifié que le bismuth n'était plus considéré comme stable. Il est possible que la désintégration soit observée chez d'autres nucléides actuellement considérés comme stables, venant ainsi s'ajouter à la liste des radionucléides primordiaux.chaîne de désintégration des isotopes primordiaux thorium-232 , uranium-238 et uranium-235 – comme les isotopes naturels du polonium et du radium – et sont également produits par fission naturelle et d'autres processus nucléogènes .Les isotopes cosmogéniques , tels que le carbone 14 , sont présents parce qu'ils se forment continuellement sur Terre, généralement dans l'atmosphère, sous l'action des rayons cosmiques .chaîne de désintégration sont présents en proportion de leur période radioactive ; ceux à courte période sont donc très rares. Par exemple, on trouve du polonium dans les minerais d'uranium à une concentration d'environ 1 partie par tonne d'uranium (0,1 mg par tonne métrique ), en calculant le rapport des périodes radioactives du polonium-210 et de l'uranium-238 , son précurseur.la fission nucléaire et des explosions nucléaires . Le processus de fission nucléaire génère une grande variété de produits de fission , dont la plupart sont des radionucléides. D'autres radionucléides sont créés par l'irradiation du combustible nucléaire (produisant divers actinides ) et des structures environnantes, donnant naissance à des produits d'activation . Ce mélange complexe de radionucléides aux propriétés chimiques et à la radioactivité différentes rend la gestion des déchets nucléaires et des retombées radioactives particulièrement problématique.
Américium-241 émetteur de particules alpha inséré dans une chambre à brouillard Les radionucléides synthétiques sont créés dans des réacteurs nucléaires ou par des accélérateurs de particules (pas nécessairement intentionnellement) ou comme produits de désintégration de ceux-ci :
- Outre leur extraction à partir des déchets nucléaires, les radio-isotopes peuvent être produits intentionnellement dans les réacteurs nucléaires, grâce au flux important de neutrons présents. Ces neutrons activent des éléments placés dans le réacteur. Un produit typique d'un réacteur nucléaire est l'iridium-192 , issu de l'activation de cibles d'iridium . Les éléments qui ont une forte propension à absorber les neutrons dans le réacteur sont dits avoir une section efficace neutronique élevée , mais même à de faibles sections efficaces, ce procédé est généralement économique.
- Les accélérateurs de particules, tels que les cyclotrons, accélèrent des particules pour bombarder une cible et produire des radionucléides. Les cyclotrons accélèrent (le plus souvent) des protons sur une cible pour produire des radionucléides émetteurs de positons, comme le fluor-18 .
- Les générateurs de radionucléides , utilisés couramment pour de nombreux isotopes médicaux, contiennent un radionucléide parent qui se désintègre pour produire un radionucléide fils à durée de vie plus courte. Un exemple typique est le générateur de technétium-99m , qui utilise du molybdène-99 produit dans un réacteur.
Utilisations
Les radionucléides sont utilisés de deux manières principales : soit pour leur rayonnement seul ( irradiation , batteries nucléaires ), soit pour la combinaison de leurs propriétés chimiques et de leur rayonnement (traceurs, produits biopharmaceutiques). En recherche scientifique, ils peuvent être utilisés pour leurs seules propriétés chimiques lorsqu’il n’existe pas de forme stable de l’élément correspondant.
- En biologie , les radionucléides (le plus souvent du carbone ) peuvent servir de traceurs radioactifs car leur structure chimique est très similaire à celle des nucléides non radioactifs. De ce fait, la plupart des processus chimiques, biologiques et écologiques les traitent de manière quasi identique. On peut ensuite analyser le résultat à l'aide d'un détecteur de rayonnement, tel qu'un compteur Geiger , afin de déterminer où les atomes introduits ont été incorporés. Par exemple, si l'on cultive des plantes dans un environnement où le dioxyde de carbone contient du carbone radioactif, les parties de la plante qui incorporent le carbone atmosphérique seront radioactives. Les radionucléides peuvent être utilisés pour suivre des processus tels que la réplication de l'ADN ou le transport des acides aminés .physique et en biologie, la fluorescence X par radionucléides (des sources de rayons X conventionnelles peuvent également être utilisées) permet de déterminer la composition chimique d'un composé . Le rayonnement d'une source radioactive frappe l'échantillon et y induit des rayons X caractéristiques. Ce rayonnement est enregistré et la composition chimique de l'échantillon peut être déterminée par l'analyse du spectre mesuré. La mesure de l'énergie des raies de rayonnement caractéristiques permet de déterminer le nombre de protons de l' élément chimique émetteur, et la mesure du nombre de photons émis permet de déterminer la concentration des différents éléments chimiques.médecine nucléaire , les radio-isotopes sont utilisés pour le diagnostic, le traitement et la recherche. Les traceurs chimiques radioactifs émettant des rayons gamma ou des positons peuvent fournir des informations diagnostiques sur l'anatomie interne et le fonctionnement d'organes spécifiques, notamment le cerveau humain . Cette technique est utilisée dans certaines formes de tomographie : la tomographie d'émission monophotonique (TEMP) , la tomographie par émission de positons (TEP) et l'imagerie par luminescence de Tcherenkov . Les radio-isotopes constituent également une méthode de traitement des tumeurs hématopoïétiques ; leur efficacité dans le traitement des tumeurs solides reste toutefois limitée. Des sources gamma plus puissantes permettent de stériliser les seringues et autres équipements médicaux.
- En conservation des aliments , l'irradiation est utilisée pour empêcher la germination des légumes-racines après la récolte, pour éliminer les parasites et les ravageurs, et pour contrôler la maturation des fruits et légumes stockés. L'irradiation des aliments utilise généralement des émetteurs gamma puissants comme le cobalt-60 ou le césium-137 .l'industrie et dans le secteur minier , les rayonnements des radionucléides peuvent être utilisés pour examiner les soudures, détecter les fuites, étudier le taux d'usure, d'érosion et de corrosion des métaux, et pour l'analyse en continu d'une large gamme de minéraux et de combustibles.
- Dans les engins spatiaux , les radionucléides sont utilisés pour fournir de l'énergie et de la chaleur, notamment par le biais de générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (GTR) et d'unités de chauffage à radio-isotopes (UHR).physique des particules , les radionucléides aident à découvrir une nouvelle physique ( physique au-delà du modèle standard ) en mesurant l'énergie et l'impulsion de leurs produits de désintégration bêta (par exemple, la double désintégration bêta sans neutrino et la recherche de particules massives faiblement interagissantes ).
- En écologie , les radionucléides sont utilisés pour tracer et analyser les polluants, étudier le mouvement des eaux de surface et mesurer les ruissellements d'eau de pluie et de neige, ainsi que les débits des ruisseaux et des rivières.géologie , en archéologie et en paléontologie , les radionucléides naturels sont utilisés pour mesurer l'âge des roches, des minéraux et des fossiles. C'est ce qu'on appelle la datation radiométrique .
Exemples
Les radionucléides possèdent diverses propriétés et utilisations :
| Isotope | Z | N | demi-vie | DM | DE keV | Mode de formation | Commentaires | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tritium ( 3 H ) | 1 | 2 | 12,3 ans | β la fusion nucléaire artificielle , également utilisé pour la radioluminescence et comme traceur transitoire océanique. Synthétisé par bombardement neutronique de lithium-6 ou de deutérium. | ||||||||
| Béryllium-10 | 4 | 6 | 1 387 000 ans | β Carbone-14| 6 | 8 | 5 700 ans | β la datation au radiocarbone | | ||||
| Fluor-18 | 9 | 9 | 110 min | β EC | 633/1655 | Cosmogénique | source de positons, synthétisée pour être utilisée comme radiotraceur médical dans les examens TEP . | |||||
| Aluminium-26 | 13 | 13 | 717 000 ans | β EC | 4004 | Cosmogénique | datation par exposition des roches et des sédiments | |||||
| Chlore-36 | 17 | 19 | 301 000 ans | β EC | 709 | Cosmogénique | datation par exposition des roches, traçage des eaux souterraines | |||||
| Potassium-40 | 19 | 21 | 1,24 EC | 1330 /1505 | Primordial | utilisé pour la datation potassium-argon , source d' argon atmosphérique , source de chaleur radiogénique , plus grande source de radioactivité naturelle | ||||||
| Calcium-41 | 20 | 21 | 99 400 ans | CE | Cosmogénique | datation par exposition des roches carbonatées | ||||||
| Cobalt-60 | 27 | 33 | 5,3 ans | β Krypton-81| 36 | 45 | 229 000 ans | β Strontium-90 | 38 | 52 | 28,8 ans | β produit de fission à durée de vie moyenne ; probablement le composant le plus dangereux des retombées nucléaires | |
| Technétium-99 | 43 | 56 | 210 000 ans | β produit de fission à longue durée de vie le plus important | ||||||||
| Technétium-99m | 43 | 56 | 6 heures | γ ,IC | 141 | Synthétique | radio-isotope médical le plus couramment utilisé, employé comme traceur radioactif | |||||
| Iode-129 | 53 | 76 | 15 700 000 ans | β produit de fission à la plus longue durée de vie ; traceur des eaux souterraines | ||||||||
| Iode-131 | 53 | 78 | 8 d | β Xénon-135| 54 | 81 | 9,1 h | β Césium-137 | 55 | 82 | 30,2 ans | β produits de fission importants à durée de vie moyenne qui suscitent des inquiétudes | |
| Gadolinium-153 | 64 | 89 | 240 d | CE | Synthétique | étalonnage des équipements nucléaires, dépistage de la densité osseuse | ||||||
| Bismuth-209 | 83 | 126 | 2,01 α | 3137 | Primordial | Longtemps considérée comme stable, sa désintégration n'a été détectée qu'en 2003. | ||||||
| Polonium-210 | 84 | 126 | 138 d | α | 5307 | Produit de dégradation | hautement toxique, utilisé dans l'empoisonnement d'Alexandre Litvinenko | |||||
| Astate-211 | 85 | 126 | 7,2 h | ε , α | Synthétique | médecine | ||||||
| Radon-222 | 86 | 136 | 3,8 d | α | 5590 | Produit de dégradation | gaz, responsable de la majorité de l'exposition du public aux rayonnements ionisants, deuxième cause la plus fréquente de cancer du poumon | |||||
| Thorium-232 | 90 | 142 | 1,4 cycle du combustible au thorium | |||||||||
| Uranium-235 | 92 | 143 | 7 fissile , principal combustible nucléaire | |||||||||
| Uranium-238 | 92 | 146 | 4,5 Plutonium-238 | 94 | 144 | 87,7 ans | α | 5593 | Synthétique | utilisé dans les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (GTR) et les unités de chauffage à radio-isotopes comme source d'énergie pour les engins spatiaux | ||
| Plutonium-239 | 94 | 145 | 24 110 ans | α | 5245 | Synthétique | utilisé pour la plupart des armes nucléaires modernes | |||||
| Américium-241 | 95 | 146 | 432 ans | α | 5486 | Synthétique | utilisé dans les détecteurs de fumée domestiques comme agent ionisant | |||||
| Californium-252 | 98 | 154 | 2,64 ans | α/SF | 6217 | Synthétique | Il subit une fission spontanée (3 % des désintégrations), ce qui en fait une source de neutrons puissante, utilisée comme initiateur de réacteur et pour les dispositifs de détection. | |||||
| Lutétium-177 | 71 | 106 | 6,6443(9) d | β − | 497 (78,6 %), 384 (9,1 %), 176 (12,2 %) | Synthétique | utilisé principalement dans la thérapie par radionucléides ciblée (TRT) contre les tumeurs neuroendocrines gastro-entéro-pancréatiques positives aux récepteurs de la somatostatine (GEP-NET) |
Légende : Z = numéro atomique ; N = nombre de neutrons ; DM = mode de désintégration ; DE = énergie de désintégration ; EC = capture électronique
détecteurs de fumée domestiques
Les radionucléides sont présents dans de nombreux foyers car ils sont utilisés dans la plupart des détecteurs de fumée domestiques . Le radionucléide utilisé est l'américium-241 , produit par le bombardement de plutonium avec des neutrons dans un réacteur nucléaire. Il se désintègre en émettant des particules alpha et des rayonnements gamma pour se transformer en neptunium-237 . Les détecteurs de fumée utilisent une très faible quantité d' américium- 241 (environ 0,29 microgramme par détecteur) sous forme de dioxyde d'américium . L'américium -241 est utilisé car il émet des particules alpha qui ionisent l'air dans la chambre d'ionisation du détecteur . Une faible tension électrique est appliquée à l'air ionisé, ce qui génère un faible courant électrique. En présence de fumée, certains ions sont neutralisés, ce qui diminue le courant et déclenche l'alarme du détecteur.
Impacts sur les organismes
Les radionucléides présents dans l'environnement peuvent avoir des effets nocifs, notamment la contamination radioactive . Leur utilisation excessive lors de traitements ou toute autre exposition des êtres vivants peuvent également provoquer des dommages, par empoisonnement aux radiations . Les risques potentiels pour la santé liés à l'exposition aux radionucléides dépendent de nombreux facteurs et peuvent altérer le fonctionnement des tissus et organes sains. L'exposition aux radiations peut entraîner des effets allant des rougeurs cutanées et de la chute des cheveux aux brûlures et au syndrome d'irradiation aiguë . Une exposition prolongée peut endommager les cellules et, par conséquent, provoquer un cancer. Les signes de cellules cancéreuses peuvent n'apparaître que des années, voire des décennies, après l'exposition.
Tableau récapitulatif des classes de nucléides, stables et radioactifs
Le tableau ci-dessous récapitule la liste des 986 nucléides dont la période radioactive est supérieure à une heure. Parmi ceux-ci, 251 n'ont jamais été observés en désintégration et sont considérés comme stables. Sur ces derniers, 90 sont considérés comme absolument stables, à l'exception de la désintégration protonique (qui n'a jamais été observée), tandis que les autres sont « observablement stables » et peuvent théoriquement subir une désintégration radioactive avec des périodes radioactives extrêmement longues.la liste des nucléides pour un tableau complet). Parmi eux, 31 nucléides ont des périodes de demi-vie mesurées supérieures à l'âge estimé de l'Univers (13,8 milliards d'années ), et quatre autres nucléides ont des périodes de demi-vie suffisamment longues (> 100 millions d'années) pour être considérés comme des nucléides primordiaux radioactifs . Ces derniers peuvent être détectés sur Terre, ayant survécu à leur présence dans la poussière interstellaire depuis avant la formation du Système solaire , il y a environ 4,6 milliards d'années. Plus de 60 autres nucléides à courte durée de vie peuvent être détectés naturellement, soit comme descendants de nucléides à plus longue durée de vie, soit comme produits de la désintégration par les rayons cosmiques. Les autres nucléides connus le sont uniquement par transmutation nucléaire artificielle .la liste des nucléides .
| Classe de stabilité | Nombre de nucléides | Total cumulé | Notes sur le total cumulé |
|---|---|---|---|
| Théoriquement stable à tout sauf à la désintégration du proton | 90 | 90 | Comprend les 40 premiers éléments. La désintégration du proton reste à observer. |
| Théoriquement stable à la désintégration alpha , à la désintégration bêta , à la transition isomérique et à la double désintégration bêta , mais pas à la fission spontanée , qui est possible pour les nucléides « stables » ≥ niobium-93 | 56 | 146 | Tous les nucléides qui sont potentiellement complètement stables (la fission spontanée n'a jamais été observée pour les nucléides dont le nombre de masse est inférieur à 232). |
| Instable énergétiquement selon un ou plusieurs modes de désintégration connus, mais aucune désintégration n'a encore été observée. Tous sont considérés comme « stables » jusqu'à la détection d'une désintégration. | 105 | 251 | Total des nucléides classiquement stables . |
| nucléides primordiaux radioactifs | 35 | 286 | Les éléments primordiaux totaux comprennent l'uranium , le thorium , le bismuth , le rubidium-87 , le potassium-40 , le tellure-128 ainsi que tous les nucléides stables. |
| Radioactif non primordial, mais présent naturellement sur Terre | 62 | 348 | Le carbone 14 (et d'autres isotopes générés par les rayons cosmiques ) et les descendants d'éléments primordiaux radioactifs, tels que le radium et le polonium , dont 32 ont une demi-vie supérieure à une heure, sont également des produits de fission à longue durée de vie . |
| Demi-vie synthétique radioactive ≥ 1,0 heure). Comprend la plupart des radiotraceurs les plus utiles . | 638 | 986 | Ce sont là les autres éléments de la liste des nucléides . |
| Synthétique radioactif (demi-vie < 1,0 heure). | >2400 | >3300 | Comprend tous les nucléides synthétiques bien caractérisés. |