Vous avez probablement entendu des gens parler de rayonnement à la fois dans la fiction et dans la vraie vie. Par exemple, quand l'Enterprise s'approche d'une étoile dans "Star Trek, " un membre de l'équipage pourrait mettre en garde contre une augmentation des niveaux de rayonnement. Dans le livre de Tom Clancy " The Hunt for Red October, " un sous-marin russe a un accident de réacteur nucléaire avec une fuite de radiations qui oblige l'équipage à abandonner le navire. A Three Mile Island et à Tchernobyl, les centrales nucléaires rejettent des substances radioactives dans l'atmosphère lors d'accidents nucléaires. Et au lendemain du séisme et du tsunami de mars 2011 qui ont frappé le Japon, une crise nucléaire a suscité des craintes au sujet des radiations et des questions sur la sûreté de l'énergie nucléaire.
Les radiations nucléaires peuvent être à la fois extrêmement bénéfiques et extrêmement dangereuses. Cela dépend simplement de la façon dont vous l'utilisez. Appareils à rayons X, certains types d'équipements de stérilisation et de centrales nucléaires utilisent tous des rayonnements nucléaires, mais les armes nucléaires aussi. Les matières nucléaires (c'est-à-dire substances émettant des radiations nucléaires) sont assez courantes et se sont retrouvées dans notre vocabulaire normal de différentes manières. Vous avez probablement entendu (et utilisé) plusieurs des termes suivants :
Tous ces termes sont liés par le fait qu'ils ont tous quelque chose à voir avec des éléments nucléaires, qu'elles soient naturelles ou artificielles. Mais qu'est-ce que le rayonnement exactement ? Pourquoi est-ce si dangereux ? Dans cet article, nous examinerons le rayonnement nucléaire afin que vous puissiez comprendre exactement ce que c'est et comment il affecte votre vie au quotidien.
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Dans cette figure, les particules jaunes sont des électrons orbitaux, les particules bleues sont des neutrons et les particules rouges sont des protons. Commençons par le commencement et comprenons d'où vient le mot « nucléaire » dans « rayonnement nucléaire ». Voici quelque chose avec lequel vous devriez déjà vous sentir à l'aise :Tout est fait de atomes . Les atomes se lient en molécules . Ainsi, une molécule d'eau est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène liés ensemble en une seule unité. Parce que nous apprenons les atomes et les molécules à l'école primaire, nous les comprenons et nous nous sentons à l'aise avec eux. Dans la nature, tout atome que vous trouverez sera l'un des 92 types d'atomes, aussi connu sous le nom éléments . Donc chaque substance sur Terre -- métal, plastiques, Cheveu, Vêtements, feuilles, verre -- est composé de combinaisons des 92 atomes que l'on trouve dans la nature. Le tableau périodique des éléments que vous voyez en cours de chimie est une liste des éléments trouvés dans la nature ainsi qu'un certain nombre d'éléments artificiels.
A l'intérieur de chaque atome il y a trois particules subatomiques :protons, neutrons et électrons. Les protons et les neutrons se lient pour former le noyau de l'atome, tandis que les électrons entourent et orbitent autour du noyau. Les protons et les électrons ont des charges opposées et s'attirent donc (les électrons sont négatifs et les protons sont positifs, et les charges opposées s'attirent), et dans la plupart des cas le nombre d'électrons et de protons est le même pour un atome (rendant l'atome neutre en charge). Les neutrons sont neutres. Leur but dans le noyau est de lier les protons entre eux. Parce que les protons ont tous la même charge et se repousseraient naturellement, les neutrons agissent comme « colle » pour maintenir les protons étroitement ensemble dans le noyau.
Le nombre de protons dans le noyau détermine le comportement d'un atome. Par exemple, si vous combinez 13 protons avec 14 neutrons pour créer un noyau, puis faites tourner 13 électrons autour de ce noyau, ce que vous avez est un atome d'aluminium. Si vous regroupez des millions d'atomes d'aluminium, vous obtenez une substance qui est de l'aluminium - vous pouvez former des canettes en aluminium, papier d'aluminium et revêtement d'aluminium hors de celui-ci. Tout l'aluminium que vous trouvez dans la nature est appelé aluminium-27. Le "27" est le nombre de masse atomique -- la somme du nombre de neutrons et de protons dans le noyau. Si vous prenez un atome d'aluminium et le mettez dans une bouteille et revenez dans plusieurs millions d'années, ce sera toujours un atome d'aluminium. L'aluminium-27 est donc appelé un stable atome. Jusqu'à il y a environ 100 ans, on pensait que tous les atomes étaient stables comme ça.
De nombreux atomes se présentent sous différentes formes. Par exemple, le cuivre a deux formes stables :le cuivre-63 (constituant environ 70 pour cent de tout le cuivre naturel) et le cuivre-65 (constituant environ 30 pour cent). Les deux formes sont appelées isotopes . Les atomes des deux isotopes du cuivre ont 29 protons, mais un atome de cuivre-63 a 34 neutrons tandis qu'un atome de cuivre-65 a 36 neutrons. Les deux isotopes agissent et se ressemblent, et les deux sont stables.
Ce qui n'était pas compris jusqu'à il y a environ 100 ans, c'est que certains éléments ont des isotopes qui sont radioactif . Dans certains éléments, tous les isotopes sont radioactifs. L'hydrogène est un bon exemple d'élément avec plusieurs isotopes, dont l'un est radioactif. Hydrogène normal, ou hydrogène-1, a un proton et pas de neutron (car il n'y a qu'un seul proton dans le noyau, il n'y a pas besoin des effets de liaison des neutrons). Il existe un autre isotope, hydrogène-2 (également connu sous le nom de deutérium), qui a un proton et un neutron. Le deutérium est très rare dans la nature (constituant environ 0,015 pour cent de tout l'hydrogène), et bien qu'il agisse comme l'hydrogène-1 (par exemple, vous pouvez en faire de l'eau) il s'avère qu'il est assez différent de l'hydrogène-1 en ce sens qu'il est toxique à des concentrations élevées. L'isotope deutérium de l'hydrogène est stable. Un troisième isotope, l'hydrogène-3 (également appelé tritium), a un proton et deux neutrons. Il s'avère que cet isotope est instable . C'est-à-dire, si vous avez un conteneur plein de tritium et revenez dans un million d'années, vous verrez que tout s'est transformé en hélium-3 (deux protons, un neutron), qui est stable. Le processus par lequel il se transforme en hélium est appelé désintégration radioactive .
Certains éléments sont naturellement radioactifs dans tous leurs isotopes. L'uranium est le meilleur exemple d'un tel élément et est l'élément radioactif naturel le plus lourd. Il existe huit autres éléments naturellement radioactifs :le polonium, astatine, radon, francium, radium, actinium, thorium et protactinium. Tous les autres éléments artificiels plus lourds que l'uranium sont également radioactifs.
La désintégration radioactive est un processus naturel. Un atome d'un isotope radioactif se désintègre spontanément en un autre élément par l'un des trois processus courants :
Dans le processus, quatre types différents de rayons radioactifs sont produits :
Américium-241, un élément radioactif surtout connu pour son utilisation dans les détecteurs de fumée, est un bon exemple d'élément qui subit désintégration alpha . Un atome d'américium-241 éjectera spontanément un particule alpha . Une particule alpha est composée de deux protons et de deux neutrons liés ensemble, qui est l'équivalent d'un noyau d'hélium-4. En train d'émettre la particule alpha, l'atome d'américium-241 devient un atome de neptunium-237. La particule alpha quitte la scène à grande vitesse - peut-être 10, 000 milles par seconde (16, 000 km/s).
Si vous regardiez un atome d'américium-241 individuel, il serait impossible de prédire quand il rejetterait une particule alpha. Cependant, si vous avez une grande collection d'atomes d'américium, alors le taux de décroissance devient tout à fait prévisible. Pour l'américium-241, on sait que la moitié des atomes se désintègrent en 458 ans. Par conséquent, 458 ans est le demi-vie d'américium-241. Chaque élément radioactif a une demi-vie différente, allant de quelques fractions de seconde à des millions d'années, en fonction de l'isotope spécifique. Par exemple, l'américium-243 a une demi-vie de 7, 370 ans.
Le tritium (hydrogène-3) est un bon exemple d'élément qui subit désintégration bêta . Dans la désintégration bêta, un neutron dans le noyau se transforme spontanément en proton, un électron, et une troisième particule appelée antineutrino. Le noyau éjecte l'électron et l'antineutrino, tandis que le proton reste dans le noyau. L'électron éjecté est appelé un particule bêta . Le noyau perd un neutron et gagne un proton. Par conséquent, un atome d'hydrogène-3 subissant une désintégration bêta devient un atome d'hélium-3.
Dans fission spontanée , un atome se divise en fait au lieu de rejeter une particule alpha ou bêta. Le mot « fission » signifie « fractionnement ». Un atome lourd comme le fermium-256 subit une fission spontanée environ 97 pour cent du temps lorsqu'il se désintègre, et dans le processus, il devient deux atomes. Par exemple, un atome de fermium-256 peut devenir un atome de xénon-140 et un atome de palladium-112, et dans le processus il éjectera quatre neutrons (appelés « neutrons prompts » car ils sont éjectés au moment de la fission). Ces neutrons peuvent être absorbés par d'autres atomes et provoquer des réactions nucléaires, comme la désintégration ou la fission, ou ils peuvent entrer en collision avec d'autres atomes, comme des boules de billard, et provoquer l'émission de rayons gamma.
Le rayonnement neutronique peut être utilisé pour rendre les atomes non radioactifs radioactifs; cela a des applications pratiques en médecine nucléaire. Le rayonnement neutronique est également produit par les réacteurs nucléaires des centrales électriques et des navires à propulsion nucléaire et dans les accélérateurs de particules, appareils utilisés pour étudier la physique subatomique.
Dans de nombreux cas, un noyau qui a subi une désintégration alpha, la désintégration bêta ou la fission spontanée seront très énergétiques et donc instables. Il éliminera son énergie supplémentaire sous la forme d'une impulsion électromagnétique connue sous le nom de rayon gamma . Les rayons gamma sont comme les rayons X en ce sens qu'ils pénètrent la matière, mais ils sont plus énergétiques que les rayons X. Les rayons gamma sont faits d'énergie, ne pas déplacer les particules comme les particules alpha et bêta.
Au sujet de divers rayons, il y a aussi rayons cosmiques bombarder la Terre à tout moment. Les rayons cosmiques proviennent du soleil et aussi de choses comme les étoiles qui explosent. La majorité des rayons cosmiques (peut-être 85 pour cent) sont des protons voyageant près de la vitesse de la lumière, tandis que peut-être 12 pour cent sont des particules alpha voyageant très rapidement. C'est la vitesse des particules, d'ailleurs, qui leur donne leur capacité à pénétrer la matière. Quand ils frappent l'atmosphère, ils entrent en collision avec des atomes dans l'atmosphère de diverses manières pour former des rayons cosmiques secondaires qui ont moins d'énergie. Ces rayons cosmiques secondaires entrent ensuite en collision avec d'autres choses sur Terre, y compris les humains. Nous sommes tout le temps touchés par des rayons cosmiques secondaires, mais nous ne sommes pas blessés car ces rayons secondaires ont une énergie plus faible que les rayons cosmiques primaires. Les rayons cosmiques primaires sont un danger pour les astronautes dans l'espace.
Bien qu'ils soient "naturels" dans le sens où les atomes radioactifs se désintègrent naturellement et que les éléments radioactifs font partie de la nature, toutes les émissions radioactives sont dangereuses pour les êtres vivants. Particules alpha, particules bêta, neutrons, les rayons gamma et les rayons cosmiques sont tous connus comme rayonnement ionisant , ce qui signifie que lorsque ces rayons interagissent avec un atome, ils peuvent faire tomber un électron orbital. La perte d'un électron peut causer des problèmes, y compris tout, de la mort cellulaire aux mutations génétiques (conduisant au cancer), dans tout être vivant.
Parce que les particules alpha sont grosses, ils ne peuvent pénétrer très loin dans la matière. Ils ne peuvent pas pénétrer dans une feuille de papier, par exemple, ainsi quand ils sont en dehors du corps, ils n'ont aucun effet sur les gens. Si vous mangez ou inhalez des atomes qui émettent des particules alpha, cependant, les particules alpha peuvent causer pas mal de dommages à l'intérieur de votre corps.
Les particules bêta pénètrent un peu plus profondément, mais encore une fois ne sont dangereux que s'ils sont ingérés ou inhalés ; les particules bêta peuvent être arrêtées par une feuille de papier d'aluminium ou de plexiglas. Rayons gamma, comme les rayons X, sont arrêtés par le plomb.
Neutrons, parce qu'ils manquent de charge, pénétrer très profondément, et sont mieux arrêtés par des couches extrêmement épaisses de béton ou de liquides comme l'eau ou le mazout. Rayons gamma et neutrons, parce qu'ils sont si pénétrants, peut avoir des effets graves sur les cellules des humains et d'autres animaux. Vous avez peut-être entendu parler à un moment donné d'un engin nucléaire appelé bombe à neutrons . L'idée même de cette bombe est d'optimiser la production de neutrons et de rayons gamma afin que la bombe ait son effet maximum sur les êtres vivants.
Comme nous l'avons vu, la radioactivité est « naturelle, " et nous contenons tous des choses comme le carbone 14 radioactif. Il y a aussi un certain nombre d'éléments nucléaires artificiels dans l'environnement qui sont nocifs. Le rayonnement nucléaire a de puissants avantages, comme l'énergie nucléaire pour produire de l'électricité et la médecine nucléaire pour détecter et traiter les maladies, ainsi que des dangers importants.
