Thémadoc : La radioactivité au quotidien

Notions élémentaires
Les unités de mesure

Notions élémentaires

Qu’est-ce que la radioactivité ?

La radioactivité naturelle qui existe depuis l’origine de la Terre entraîne une exposition permanente des populations. Certaines activités humaines augmentent ce niveau de radioactivité. On appelle radioactivité la désintégration de certains noyaux atomiques au cours de laquelle sont émis des rayonnements de différentes natures ; l’activité est mesurée en becquerels (une désintégration par seconde). Les éléments radioactifs correspondants constituent des sources dont la radioactivité est exprimée en becquerels par kilogramme, litre ou mètre cube.

Nature

Il n’existe aucune différence entre des rayonnements ionisants émis par des sources naturellement présentes dans l’univers et ceux qualifiés d’artificiels qui résultent d’activités humaines.
Les rayonnements ionisants émis par les sources naturelles les plus importantes sont le rayonnement cosmique, qui provient des étoiles, et le rayonnement tellurique provenant de la Terre, notamment de l’uranium et du thorium ainsi que du radon (gaz) omniprésent dans la croûte terrestre ou dans l’atmosphère.
Les sources artificielles de rayonnements ionisants sont de nature et d’importance très différentes. La plupart sont utilisées dans les laboratoires de recherche, les services de radiologie, de médecine nucléaire et de radiothérapie, les installations nucléaires...
On observe des différences importantes entre les divers types de rayonnements ionisants et leur action sur la matière vivante qu’ils traversent selon la manière dont ils y déposent leur énergie.
– Les rayonnements alpha (α), particulaires, perdent toute leur énergie le long d'un trajet de moins de 1 mm de matière vivante. Les rayonnements alpha n’agissent qu’au contact des cellules : ils n’ont d’action biologique que s’ils sont émis par une source radioactive au contact de la peau ou ingérée ou inhalée.
– Les rayonnements bêta (β), particulaires, cèdent toute leur énergie au long d’un parcours de moins de 1 cm de matière vivante. À noter le cas particulier des électrons produits par des accélérateurs (de plus en plus utilisés en radiothérapie), électrons dont l’énergie peut atteindre 20 MeV, avec un pouvoir de pénétration d’environ 10 cm.
– Les rayonnements gamma (γ) et X, électromagnétiques, traversent l’organisme en n’y abandonnant qu’une partie de l’énergie et progressivement, tout au long de leur parcours.

Dose ou quantité d'énergie absorbée

C’est le dépôt d’énergie dans la matière vivante qui va entraîner des modifications ou même la destruction de la structure normale des molécules à l’intérieur des cellules de l’organisme.
L’action biologique des rayonnements dépend de la manière dont la quantité d’énergie absorbée est transférée aux cellules et aux tissus. Celle-ci ne se répartira pas de la même façon suivant la nature des rayonnements :
– avec les rayonnements gamma, elle est dispersée de façon homogène,
– avec les rayonnements bêta, la répartition dans les tissus est d’autant plus hétérogène que leur énergie est plus faible,
– avec les rayonnements alpha, l’hétérogénéité de la répartition est considérable.
La même quantité d’énergie se répartit sur mille cellules si elle est apportée par une particule bêta et sur cinq cellules avec un rayonnement alpha. C’est la raison pour laquelle les atomes radioactifs, émetteurs alpha, tels que l'uranium U, le plutonium Pu, le radon Rd ont une radiotoxicité plus élevée que ceux qui émettent des rayonnements bêta ou gamma.

Débit

Un autre facteur pour juger de la nocivité d’une irradiation est la durée de l’exposition pendant laquelle les mécanismes de réparation des lésions vont entrer en action. Globalement, l’efficacité de ces mécanismes est d’autant plus grande que la quantité et la densité de lésions sont plus faibles. Pour une dose absorbée donnée, les effets sont d’autant plus importants que le débit de dose est élevé.
L'irradiation des organismes vivants et donc de l'homme peut être produite :
– par les particules ionisantes : électrons, protons, particules et neutrons,
– par les ondes électromagnétiques ou photons : UV, X et γ.

Caractéristiques des particules ionisantes

Symbole	Nature	Masse	Charge	Modes de production
e^– (ou β)	électron (particule β)	9,1.10^–31 kg 1/1840e de la masse du proton	négative = – 1,6.10^–19 C (coulomb)	– Dans des « accélérateurs de particules », à une énergie bien définie. – Par des éléments radioactifs. Les énergies des β présentent alors un spectre continu allant d'une énergie 0 jusqu'à une énergie maximale caractéristique de l’élément radioactif.
p	proton (noyau de l’atome d’hydrogène)	1 unité de masse atomique (u) = 1,67.10^–27 kg	positive = 1,6.10^–19 C	Dans des « accélérateurs de particules », à une énergie bien définie.
n	neutron	1 u = 1,67.10^–27 kg	nulle	En particulier dans la fission des atomes d'uranium 235 et de plutonium 239 dans les réacteurs nucléaires.
α	particule α : noyau de l'atome d'hélium constitué de 2 protons + 2 neutrons	4 u = 6,68.10^–27 kg	positive = 3,2. 10^–19 C	Les particules α sont émises par de nombreux éléments radioactifs naturels des familles de l'uranium 238 et du thorium 232. Les particules α présentent un spectre de raies d'énergies caractéristiques de l'élément radioactif.

Caractéristiques des rayonnements ionisants électromagnétiques : X et γ

Un photon, quantum d'énergie électromagnétique, est caractérisé par sa longueur d'onde λ dans le vide.
Un photon n’a ni masse ni charge électrique.
Un photon transporte une énergie E inversement proportionnelle à sa longueur d’onde.

Symbole	Longueur d’onde λ	Énergie	Modes de production
Photons X	0,1 pm < λ < 50 000 pm (1 picomètre = 10^–12m) exemple : λ = 12,4 pm	E = 100 keV	Les photons X sont émis soit par des électrogénérateurs X (radioscopie, radiographie, scanner…) soit par freinage, dans une cible métallique, d'électrons préalablement accélérés, soit à la suite de la capture d’un électron par un noyau radioactif.
Photons γ	λ < 0,1 pm exemple : λ = 1,24 pm	E = 1 MeV	Émis par les éléments radioactifs, ils présentent un spectre de raies γ d’énergies caractéristiques de l'élément radioactif (1,17 et 1,33 MeV pour le cobalt 60).

Le radiodiagnostic par scintigraphie utilise des éléments radioactifs émetteurs γ.

Les unités de mesure

Les unités de mesure sont utilisées pour évaluer le niveau de l'exposition de l'homme aux rayonnements.

Unité d'activité

Le nombre de désintégrations par seconde des noyaux radioactifs, dans une quantité donnée de matière s’exprime en becquerels (Bq) : 1Bq correspond à une désintégration par seconde.
On parlera de 1Bq/kg de matière, 1Bq/m³ d'air ou 1Bq/m³ d'eau, s'il se produit une désintégration par seconde dans ce kilogramme de matière, ce mètre cube d'air ou ce mètre cube d'eau.
L’activité d’un litre d’eau minérale est d’environ 10 Bq, l’activité d’un homme de 70 kg est d’environ 8 600 Bq.

Unité d’énergie émise (mesurée)

L'effet d'une irradiation sur l'organisme est fonction de la quantité d'énergie absorbée dans les cellules, les tissus ou les organismes irradiés.
Le gray (Gy), unité de « dose absorbée », correspond à un transfert d’énergie par le rayonnement ionisant incident de 1 joule par kilogramme de matière irradiée. 1 Gy = 1 J/kg.
On note D_Gy la dose absorbée (= énergie absorbée par kilogramme de matière).
Remarque : au-dessous de 0,25 Gy, on n’observe chez l’adulte aucun symptôme pathologique en relation avec l’irradiation.
En radiothérapie, la dose délivrée dans la tumeur lors d’une séance est de l’ordre de 2 Gy.
Une dose de 1 Gy absorbée de façon homogène entraîne dans l'organisme une élévation de température des tissus irradiés d'environ 0,24 millième de degré, ce qui n’est pas perceptible, mais cette même dose de 1 Gy entraîne la mort de suffisamment de cellules sanguines pour entraîner des effets cliniques (avec infections, saignements...).

Unité de dose équivalente et unité de dose efficace (calculée)

Pour une dose donnée, tous les rayonnements n’ont pas des effets biologiques équivalents : les neutrons et les particules α produisent le même effet biologique avec des doses absorbées respectivement dix et vingt fois plus faibles que les rayonnements β, X, γ.
La dose équivalente, en sieverts (Sv), est noté D_Sv et s’obtient à partir de la dose absorbée en la pondérant pour tenir compte des effets biologiques des différents types de rayonnements. Le facteur de pondération (WR) est de :
– 1 pour les rayonnements β, X, γ : D_Sv = D_Gy
– compris entre 5 et 20 pour les neutrons : D_Sv = 5 à 20 D_Gy
– 20 pour les particules α : D_Sv = 20 D_Gy

La dose équivalente traduit la nocivité relative du rayonnement au niveau du volume irradié.
La dose efficace correspond au risque « intrinsèque » de développer un effet tardif, quels que soient la source, le volume irradié, le débit de dose. Son calcul tient compte de la dose en Gy, de l’efficacité des différents types de rayonnements (les WR) et de la radiosensibilité des tissus et des organes. Ce dernier facteur WT a été déterminé à partir de la fréquence relative des différents sites de cancers dans la cohorte d’Hiroshima-Nagasaki. Le principe est que la somme de tous les WT de chaque organe soit égale à 1. Ainsi, dans un objectif de gestion de la radioprotection, on peut additionner et cumuler les différentes « doses » ainsi obtenues en une dose efficace exprimée aussi en sieverts.

Remarque : la dose qui rend compte du risque de développer un effet aléatoire est donc caractérisée par deux notions et termes qui ont la même unité : le sievert ! La dose équivalente traduit le risque au niveau d’un tissu ou organe, la dose efficace, le risque global de développer un cancer quelles que soient les conditions de l’irradiation.

La dosimétrie

Lorsque la source de rayonnement reste à l’extérieur de l’organisme (rayonnement gamma, X), les doses sont mesurées par un dosimètre porté au thorax, en admettant que la dose s’applique à l’organisme entier (mais il existe également des dosimètres pour les extrémités).
En revanche, quand la source de rayonnement entre dans l’organisme, les doses doivent être calculées. Pour calculer les doses exprimées en millisieverts, on tient compte du comportement dans l’organisme des radioéléments inhalés ou ingérés. Il existe des modèles qui les décrivent : ce devenir dépend de la nature chimique du radionucléide ; ainsi par exemple, le tritium et le césium se distribuent dans tous les tissus, l’iode se concentre dans la thyroïde, le strontium dans le squelette… Lorsque plusieurs organes sont exposés, on additionne les doses reçues par ces organes en les pondérant par le facteur de pondération des organes. On obtient ainsi la dose pour l’organisme entier.
Ainsi, chaque radioélément aura sa propre relation entre le niveau de radioactivité absorbée par l’organisme (mesuré et exprimé en becquerels) et la dose efficace (calculée et exprimée en millisieverts).
Remarque : le sievert représente aussi, comme le gray, des joules par kilogramme (J/kg).
Les doses d’exposition aux RI sont exprimées en sieverts. L’irradiation naturelle moyenne en France est de 2,5 mSv/an (millisieverts par an).

Débit de dose

Les effets des rayonnements dépendent à la fois de la dose cumulée totale mais aussi du temps pendant lequel se produit l’irradiation. Globalement, pour une même dose cumulée, les effets précoces ou le risque de développer un cancer sont d’autant plus faibles que l’irradiation s’étale sur une durée longue. On définit le débit de dose par le rapport entre la dose cumulée et la durée de l’irradiation. Le débit de dose peut être utilisé avec chacune des unités définies ci-dessus :
Gy/ seconde, minute, jour ou an,
Sv dose équivalente,
Sv dose efficace.
Notre organisme reçoit une irradiation naturelle interne de 0,5 μSv/j (microsievert par jour) soit 0,2 mSv/an.

Profondeur de pénétration des rayonnements dans l’organisme

Les électrons (rayonnement β), protons et α sont des particules électriquement chargées. Leur pénétration dans l'organisme est limitée par un « parcours », d'autant plus petit que la particule est plus lourde, de quelques centièmes de millimètres (particules α) à quelques millimètres (particules β). Ce parcours croît avec l’énergie de la particule. Au-delà de ce parcours l'irradiation est nulle. Voir Pouvoir de pénétration des rayonnements ionisants sur le site du CEA.
www.cea.fr/
La profondeur de pénétration des électrons et des protons est une fonction précise de leur énergie, d'où leur utilisation très efficace dans certaines situations en radiothérapie (irradiation des ganglions par les électrons, de l'œil par les protons).
Les photons X et γ, ainsi que les neutrons, produisent une irradiation de toute l'épaisseur du corps qui diminue en fonction de la profondeur. La dose absorbée, à une profondeur donnée, est d'autant plus importante que leur énergie est grande :
– pour les photons de 100 keV et de 1 MeV, le débit de dose est réduit, à 15 cm de profondeur, respectivement, à environ 10 % et 30 % de la valeur incidente ;
– pour les neutrons, l’épaisseur traversée dépend de leur énergie.