Radiophysique

CHUV

INSTITUT UNIVERSITAIRE
DE RADIOPHYSIQUE FILIERE TRM
APPLIQUEE

COURS DE RADIOPHYSIQUE MEDICALE

VOLUME

2
Bases de la radiophysique
&
Mesure des radiations

DECEMBRE
2008

Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -1- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008

COURS DE RADIOPHYSIQUE MEDICALE

Vol. I Notions de base
Vol. II Bases de la radiophysique & mesure des radiations
Vol. III Radiodiagnostic
Vol. IV Tomodensitométrie
Vol. V Imagerie médicale
Vol. VI Médecine nucléaire & Radiochimie
Vol. VII Radiothérapie
Vol. VIII Imagerie par résonance magnétique
Vol. IX Ultrasonographie médicale
Vol. X Radioprotection

ISBN : 2-88444-007-0

Editeurs : Institut universitaire de radiophysique appliquée
Rue du Grand-Pré 1
CH – 1007 Lausanne
http://www.chuv.ch/public/instituts/ira

Haute école cantonale vaudoise de la santé
Filière Technique en radiologie médicale
Avenue Beaumont 21
CH – 1011 Lausanne
http://www.hecvsante.ch


Volume II
Bases de la radiophysique & mesure des
radiations
Sommaire

1. Radioactivité 7
1. Introduction ............................................................................................................................................ 7
2. Terminologie nucléaire........................................................................................................................... 8
2.1. Nucléides 8
2.2. Radionucléides 8
2.3. Carte des nucléides 8
2.4. Dimension de l’atome 10
2.5. Énergie de liaison nucléaire 10
2.6. Force nucléaire 11
3. Radioactivité......................................................................................................................................... 11
3.1. Constante de désintégration d'une source radioactive 11
3.2. Période radioactive 12
3.3. Activité d'une source radioactive 13
4. Modalités de désintégration ................................................................................................................. 13
4.1. Désintégrations radioactives 13
4.1.1. Désintégration alpha 14
4.1.2. Désintégration bêta moins 15
4.1.3. Désintégration bêta plus et capture électronique 17
4.1.4. Fission spontanée 18
4.2. Désexcitation du noyau 18
4.2.1. Émission de rayonnement gamma 19
4.2.2. Transition isomérique 19
4.2.3. Conversion interne 20
4.3. Stabilisation du cortège électronique 21
Résumé II.1 ................................................................................................................................................ 22
Exercices II.1 .............................................................................................................................................. 23
2. Sources radioactives 25
1. Radioactivité naturelle.......................................................................................................................... 25
1.1. Formation des nucléides 25
1.2. Radionucléides terrestres 26
1.2.1. Origine des nucléides terrestres 26
1.2.2. Familles radioactives 26
1.2.3. Rayonnement cosmique et radioactivité induite naturellement 26
2. Radioactivité artificielle ........................................................................................................................ 27
2.1. Activation 27
2.1.1. Activation aux neutrons 27
2.1.2. Activation aux particules chargées 28
2.2. Fission 28
2.3. Filiation et générateur 29
3. Application des sources radioactives................................................................................................... 30
3.1. Sources non-scellées 30
3.2. Sources scellées 30
3.3. Radioéléments les plus fréquemment utilisés 31
Résumé II.2 ................................................................................................................................................ 33
Exercices II.2 .............................................................................................................................................. 34
3. Interaction des particules chargées avec la matière 35
1. Rayonnement ionisant ......................................................................................................................... 35
2. Interaction des électrons avec la matière ............................................................................................ 36
2.1. Pouvoir d'arrêt des électrons 37

2.2. Parcours des électrons 40
2.2.1. Électrons monoénergétiques 40
2.2.2. Source de rayonnement β 42
2.3. Cas du positron 42
2.4. Protection contre le rayonnement β 42
3. Interaction des particules chargées lourdes ........................................................................................ 43
3.1. Pouvoir d'arrêt des particules chargées lourdes 43
3.2. Parcours des particules chargées lourdes 44
3.3. Pic de Bragg 45
3.4. Protection contre les particules chargées lourdes 46
Résumé II.3 ................................................................................................................................................ 47
Exercices II.3 .............................................................................................................................................. 48
4. Interaction des photons avec la matière 49
1. Description des interactions photons matière...................................................................................... 49
1.1. Effet photoélectrique 50
1.1.1. Effet de l'énergie du photon incident 50
1.1.2. Effet du numéro atomique 51
1.1.3. Direction d'émission du photoélectron 51
1.1.4. Rayonnement caractéristique 51
1.1.5. Électrons Auger 51
1.1.6. Importance de l'effet photoélectrique en radiodiagnostic 52
1.2. Effet Compton (diffusion incohérente) 52
1.2.1. Effet de l'énergie du photon incident 53
1.3. Création de paire 54
1.3.1. Annihilation électron-positron 55
1.3.2. Effet de l'énergie 55
1.4. Diffusion élastique (diffusion cohérente) 56
1.4.1. Diffusion Thomson 56
1.4.2. Diffusion Rayleigh ou cohérente 57
1.5. Effet photonucléaire 57
2. Prédominance des interactions photoniques....................................................................................... 58
3. Atténuation des photons dans la matière ............................................................................................ 59
3.1. Coefficient d'atténuation linéaire µ 59
3.2. Atténuation exponentielle d'un faisceau monoénergétique 60
3.3. Couche de demi-atténuation (CDA) 61
3.4. Facteur d'homogénéité 61
4. Protection contre le rayonnement γ et les rayons X ............................................................................ 62
Résumé II.4 ................................................................................................................................................ 63
Exercices II.4 .............................................................................................................................................. 64
5. Description d'un champ de radiation 65
1. Introduction .......................................................................................................................................... 65
2. Radiométrie.......................................................................................................................................... 65
2.1. Nombre de particules 65
2.2. Énergie radiante 66
2.3. Fluence 66
3. Coefficients d'interaction ...................................................................................................................... 67
3.1. Section efficace 68
3.2. Coefficient d'interaction des particules chargées : pouvoir d'arrêt 68
3.3. Coefficient d'interaction des photons 68
3.3.1. Coefficient d'atténuation massique µ/ρ 68
3.3.2. Coefficient de transfert d'énergie massique µtr/ρ 69
3.3.3. Coefficient d'absorption d'énergie massique : µen/ρ 69
3.3.4. Différence entre les divers coefficients "mu" 70
Résumé II.5 ................................................................................................................................................ 72
Exercices II.5 .............................................................................................................................................. 73
6. Kerma et dose absorbée 75


1. Introduction .......................................................................................................................................... 75
2. Photons : conversion d'énergie et kerma............................................................................................. 75
2.1.1. Kerma dans l'air et fluence 76
2.1.2. Kerma dans l'air à proximité d'une source radioactive 76
3. Dépôt d'énergie et dose absorbée....................................................................................................... 77
4. Relation kerma - dose absorbée.......................................................................................................... 77
4.1.1. Cas particulier du faisceau de photons parallèle 77
4.1.2. Relation dose absorbée - kerma à l'équilibre électronique 79
Résumé II.6 ................................................................................................................................................ 82
Exercices II.6 .............................................................................................................................................. 83
7. Équivalent de dose et dose effective 85
1. Introduction .......................................................................................................................................... 85
2. Équivalent de dose .............................................................................................................................. 85
2.1. Transfert d'énergie linéique (TEL) 85
2.2. Efficacité biologique relative 86
2.3. Définition de l'équivalent de dose 87
3. Grandeurs opérationnelles................................................................................................................... 88
3.1. Sphère ICRU 88
3.2. Dosimétrie d’ambiance 88
3.2.1. Équivalent de dose ambiant : H*(10) 88
3.2.2. Équivalent de dose directionnel : H'(0.07) 88
3.3. Dosimétrie individuelle 88
3.3.1. Équivalent de dose individuel en profondeur : Hp(10) 88
3.3.2. Équivalent de dose individuel en surface : Hp(0.07) 88
3.4. Équivalent de dose à proximité d'une source radioactive 89
3.4.1. Équivalent de dose ambiant 89
3.4.2. Équivalent de dose directionnel 89
3.4.3. Données numérique de l'Ordonnance sur la radioprotection 89
4. Dose équivalente ................................................................................................................................. 90
5. Dose effective ...................................................................................................................................... 91
5.1. Dose effective 91
5.1.1. Incorporation 91
5.2. Lien entre les grandeurs opérationnelles et la dose effective 92
Résumé II.7 ................................................................................................................................................ 93
Exercices II.7 .............................................................................................................................................. 94
8. Mesure des radiations 95
1. Introduction .......................................................................................................................................... 95
2. Détecteurs basés sur l'ionisation ......................................................................................................... 96
2.1. Principes de fonctionnement 96
2.2. Chambre d’ionisation 97
2.3. Compteur proportionnel 98
2.4. Compteur Geiger-Müller 100
2.5. Détecteur à semi-conducteur 101
3. Détecteurs basés sur la luminescence .............................................................................................. 101
3.1. Luminescence : fluorescence et phosphorescence 102
3.2. Luminescence et mesure des radiations 102
3.3. Scintillateurs solides 102
3.4. Scintillateurs liquides 104
3.5. Dosimètres thermoluminescents (TLD) 104
4. Détecteurs basés sur la calorimétrie.................................................................................................. 105
5. Détecteurs chimiques ........................................................................................................................ 106
5.1. Émulsion photographique 106
5.2. Dosimètres de Fricke 106
5.3. Dosimétrie par gel 106
5.4. Résonance paramagnétique électronique 107
5.5. Dosimètre à traces 107


6. Dosimètres à bulles ........................................................................................................................... 107
7. Mesure par activation......................................................................................................................... 108
8. Mesure cytogénétique........................................................................................................................ 108
8.1. Différents types d’aberrations chromosomiques 108
8.2. Taux de dicentriques et estimation de la dose due à une exposition accidentelle récente 108
9. Principales mesures requises en radioprotection .............................................................................. 109
9.1. Surveillance de l'irradiation individuelle externe 109
9.2. Mesure de la radiation ambiante 110
9.3. Mesure de la contamination de surface 110
9.4. Mesure des incorporations d'activités (mesure de tri) 111
9.5. Mesure de la contamination de l'air 111
9.6. Mesure de l'activité d'échantillons solides ou liquides 112
10. Propriétés importantes d'un appareil de mesure ............................................................................... 112
10.1. Sensibilité 112
10.2. Bruit de fond 113
10.3. Limite de détection 113
10.4. Réponse en fonction de l'énergie 113
10.5. Réponse directionnelle 114
10.6. Epaisseur de la fenêtre d'entrée dans le détecteur 114
11. Exigences légales sur les instruments de mesure de radioprotection............................................... 114
Résumé II.8 .............................................................................................................................................. 115
Exercices II.8 ............................................................................................................................................ 116


CHAPITRE II.1

RADIOACTIVITE

Objectifs du chapitre
• Connaître la description traditionnelle des nucléides et la table des nucléides.
• Comprendre comment les nucléons restent confinés dans le noyau.
• Décrire les notions de période, de constante de désintégration, et d'activité.
• Calculer l'activité d'une source radioactive au cours du temps.
• Expliquer un schéma de désintégration.
• Décrire différents types de désintégration.
• Placer les différents types de désintégration dans la table des nucléides.

1. Radioactivité
Equation Section 1
1. Introduction
Quatre cents ans avant Jésus-Christ, le Grec Démocrite cherche à baptiser ce qui, dans l'Univers,
existe de plus petit. Si l'on admet que tout est divisible, on en vient fatalement au moment où la
plus petite entité ne pourra plus être divisée. Démocrite l'appelle l'atome. En 1808, John Dalton
confirme la définition de Démocrite : "les atomes sont les particules finales de la nature,
indivisibles et éternelles".
L'erreur de Démocrite a duré 22 siècles : l'atome lui-même est divisible. En 1895, Roentgen
découvre les rayons X. Une année plus tard, Becquerel démontre que les sels d'uranium
émettent des rayons "spontanément et sans aucune cause". Plus tard, Pierre et Marie Curie
appellent radioactivité cette propriété. En 1902, Marie Curie isole le premier décigramme d'un
corps dont elle avait annoncé théoriquement l'existence 45 mois plus tôt : le radium.

Figure 1.1 - Pionniers de la physiques nucléaire : Démocrite, Henri Becquerel, Marie et
Pierre Curie, Ernest Rutherford, Albert Einstein.

Des corps comme l'uranium, le thorium ou le radium émettent des rayonnements qui sont aussi
de l'énergie. Il restait à comprendre d'où celle-ci provenait. En 1903, Ernest Rutherford montre
que "la radioactivité est une preuve et une mesure de l'instabilité des atomes et que les atomes de
l'uranium et du thorium subissent une série de transformations spontanées". En 1905, Albert
Einstein publie trois articles dans lesquels il expose la théorie de la relativité : la matière peut se
transformer en énergie et vice versa.


2. Terminologie nucléaire
2.1. Nucléides
Le terme de nucléide est utilisé pour décrire le noyau atomique en tant qu'entité individuelle par
opposition à un simple constituant de l'atome. Un nucléide est composé de nucléons : les
neutrons et les protons. Le nombre de protons dans le noyau est généralement représenté par le
symbole Z et le nombre de neutrons par le symbole N. Le nombre total de nucléons, appelé
nombre de masse est quant à lui généralement représenté par le symbole A. On a donc la
relation suivante :
A = Z+ N . (1.1)
A
Un élément E ayant Z protons et N neutrons peut être représenté sous la forme Z E N . Par
14
exemple, un atome de carbone contenant 8 neutrons peut s'écrire sous la forme C8 . On 6
remarque que cette façon d'écrire est redondante puisque le symbole de l'élément indique de
manière univoque le nombre de protons. C'est la raison pour laquelle un nucléide est la plupart
du temps indiqué uniquement par son symbole et son nombre de masse. Pour reprendre
l'exemple précédent, un noyau de carbone contenant 8 neutrons peut s'indiquer indifféremment
comme :
14
6 C8 ou 14
C ou C − 14 . (1.2)

2.2. Radionucléides
Un nucléide instable ayant la propriété de pouvoir se transformer spontanément en un nucléide
lui-même stable ou instable est appelé radionucléide. Par définition, une transformation
spontanée ne peut avoir lieu que si le niveau énergétique final est plus bas que le niveau
énergétique initial. Cette transformation peut aboutir sur un élément différent ou le même
élément dans un niveau énergétique plus bas. Un radionucléide est également souvent appelé
nucléide radioactif.

2.3. Carte des nucléides
Les nucléides ayant un nombre de protons Z donné mais un nombre de neutrons N variable sont
les isotopes d'un élément (voir Figure 1.2). Inversement, des nucléides ayant le même nombre de
neutrons mais un nombre de protons variable sont des isotones. Des nucléides ayant le même
nombre de masse sont appelés isobares. A titre d'exemple, considérons l'or dont il existe 32
isotopes allant de Au-173 à Au-204. Sur ces 32 isotopes, un seul d'entre eux (Au-197) est stable.
Tous les autres sont des radionucléides.
L'ensemble des atomes neutres de tous les isotopes d'un même élément ont le même nombre
d'électrons et les mêmes propriétés chimiques et sont ainsi représentés dans la même position du
tableau périodique. Mais, comme nous le verrons plus bas, les propriétés nucléaires de ces
isotopes peuvent grandement varier et par voie de conséquence le tableau périodique n'a qu'un
usage fort limité pour toute étude nucléaire de la matière.


Z isotopes

isotones
iso
ba
r
es
N

Figure 1.2 - Carte des nucléides dans laquelle chaque nucléide est représenté en fonction
du nombre de neutrons (N) et de protons (Z). Des nucléides ayant le même nombre de
protons mais un nombre de neutrons variable sont des isotopes. Inversement, des
nucléides ayant le même nombre de neutrons mais un nombre de protons variable sont des
isotones. Des nucléides ayant le même nombre de masse sont appelés isobares.

L'importance de N et de Z pour qualifier les propriétés d'un nucléide a donné naissance à la carte
des nucléides dans laquelle chaque nucléide est représenté dans une case définie en horizontal
par le nombre de neutrons et en vertical par le nombre de protons. La Figure 1.3 présente la
carte des nucléides pouvant exister dans la nature avec en noir, les nucléides stables et en gris,
les radionucléides. On remarque que les nucléides de faibles masses ont environ le même
nombre de protons que de neutrons. En revanche, les nucléides plus lourds tendent clairement à
avoir plus de neutrons que de protons. Par exemple, Au-197 a 118 neutrons; ce qui correspond
à un excès de neutrons de 39. On notera encore qu'à l'exception du technétium (Z=43) et du
prométhium (Z=61) tous les nucléides ayant une valeur de Z inférieure ou égale à 82 (plomb)
ont au moins un isotope stable connu. Pour des valeurs de Z supérieures ou égale à 83
(bismuth), il n'existe aucun isotope stable connu. Finalement, il est intéressant de constater que
les radionucléides se trouvent de chaque côté de la bande relativement bien définie des nucléides
stables ainsi que dans la partie supérieure droite de la carte. Jusqu'à présent, il n'a pas été
possible de mettre en évidence des nucléides ayant un nombre de protons supérieur à Z=114
(A=281).

100
Z=N

80
Nombre de protons Z

60

40

20 Instables
Stables
0

0 20 40 60 80 100 120 140
Nombre de neutrons N
Figure 1.3 - Carte des nucléides existants. En noir, sont représentés les nucléides stables,
alors qu'en gris sont représentés les radionucléides. Sur les quelques 2659 nucléides
connus, seuls 264 sont stables.


2.4. Dimension de l’atome
Le noyau, tout comme l’atome, n’est pas un objet "solide" avec une surface bien délimitée au
sens où on l'entend habituellement. Les dimensions de l’atome sont toutefois de l'ordre de 10-10
mètre alors que celles du noyau sont d'environ 10-15 mètre. Ces dimensions étant extrêmement
petites, il est intéressant de décrire les composantes de l'atome à une échelle plus humaine. Si un
atome de carbone posé au centre de Paris, était agrandi jusqu'à ce qu'il ait 2000 km de diamètre,
son noyau serait une sphère de 80 m de hauteur (hauteur de la cathédrale Notre Dame). Les 6
protons et les 6 neutrons de ce noyau seraient des boules de 30 m de diamètre et dans chacune
d'elles, trois quarks, pas plus gros que des fourmis mèneraient une sarabande folle. Pas plus gros
que des petites fourmis, eux non plus, seraient les 6 électrons de cet atome géant1.

2.5. Énergie de liaison nucléaire
Les masses atomiques peuvent être mesurées avec de grandes précisions en utilisant des
spectromètres de masse ou en effectuant des réactions nucléaires. L'unité de masse atomique
(uma) est telle que la masse d'un noyau de C-12 vaut exactement 12 uma. Dans les unités
internationales ou en convertissant la masse en énergie (E=mc2), cela signifie que
1uma = 1.661 ⋅10 −27 kg = 931.5 MeV . (1.3)
L'énergie nécessaire pour séparer un nucléide donné en chacun de ses nucléons est appelée
l'énergie de liaison du nucléide. Si l'on divise cette énergie par le nombre de masse A, on obtient
l'énergie de liaison par nucléon. La Figure 1.4 montre l'énergie de liaison par nucléon en
fonction du nombre de masse. On remarque que l'énergie de liaison accuse un maximum pour
les valeurs de A situées aux environs de 60.
Le fait que l'énergie de liaison par nucléon est plus faible pour les grandes masses signifie que
les nucléons sont plus solidement liés lorsqu'ils cohabitent à l'intérieur de deux noyaux de
masses moyennes que lorsqu'ils résident dans un noyau de grande masse. C'est la raison pour
laquelle de l'énergie est libérée lorsqu'on effectue une fission nucléaire.
A l'autre extrémité du graphique, on constate que de l'énergie est également libérée lorsque deux
noyaux de faible masse sont combinés ensemble pour former un noyau de masse moyenne. Ce
processus inverse à la fission est appelé fusion nucléaire.

Ni-62
Energie de liaison par nucléon [MeV]

He-4
8 U-238

Xa-273
6 Be-9

Li-6

4

H-3
2

H-2
0

0 50 100 150 200 250
Nombre de masse A [-]
Figure 1.4 - Énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse A. Le nucléide
Ni-62 a la plus grande énergie de liaison.

1
Cette analogie a été reprise de la publication de Rafel Carreras "Quand l'énergie devient matière", édité par le
CERN en janvier 2000.

2.6. Force nucléaire
La force qui gouverne les mouvements des électrons atomiques est la force électromagnétique.
Sachant qu'un nucléide contient généralement plusieurs protons de même charge positive, on en
déduit qu'il doit exister à l'intérieur du noyau une force supérieure à la force électromagnétique
qui est à même de confiner les nucléons dans un espace aussi petit que le volume nucléaire.
La théorie actuelle est que la force qui lie les nucléons entre eux n'est pas une force
fondamentale de la nature mais plutôt un effet secondaire, ou retombée, de la force forte qui lie
les quarks entre eux pour former les neutrons et les protons. Cet effet secondaire de la force
forte est comparable au fait que deux atomes électriquement neutres peuvent se lier à l'intérieur
d'une molécule sous l'effet secondaire de forces électriques coulombiennes.
Le fait qu'il y ait concurrence entre la force forte (attractive) et la force électromagnétique
(répulsive entre les protons) à l'intérieur d'un nucléide permet de comprendre pourquoi les
nucléides de grande masse ont tous un excès de neutrons. En effet, dans un nucléide ayant
davantage de neutrons que de protons, l'effet de la force électromagnétique est réduit.

3. Radioactivité
Une quantité de matière contenant un ensemble de noyaux instables est appelé source
radioactive.
Dans la présente section, on s'intéresse à la description d'une source radioactive du point de vue
du nombre de noyaux instables qu'elle contient ou du nombre de particules qu'elle émet au cours
du temps. Les aspects physiques à la base des processus de désintégration et le type de
particules émises seront discutés dans la section 4.

3.1. Constante de désintégration d'une source radioactive
La désintégration radioactive d'un radionucléide est un processus aléatoire dont la réalisation se
décrit d'un point de vue probabiliste. On définit la constante de désintégration λ d'un
radionucléide dans un état énergétique donné par le quotient de dP sur dt, où dP est la probabilité
qu'un noyau donné subisse une transformation nucléaire spontanée de ce niveau énergétique
pendant l'intervalle de temps dt :
dP [ −1 ]
λ=s . (1.4)
dt
Si la source radioactive contient N noyaux instables, le nombre moyen de noyaux subissant une
désintégration pendant l'élément de temps dt est donné par :
−dN = λ N dt . (1.5)
Le signe négatif devant dN s'explique par le fait que le nombre de noyaux instables N diminue et
que par conséquent dN est négatif. Cette équation différentielle se résout aisément en
considérant que l'on a N0 noyaux instables au temps t = 0. Le nombre de noyaux instables pour
un temps t quelconque vaut :
N ( t ) = N 0 e −λt . (1.6)
Le nombre de noyaux instables en fonction du temps est donc décrit par une loi de décroissance
exponentielle (voir Figure 1.5). On constate qu'en représentation semi-logarithmique, N(t) est
une droite.


100 1
(a) (b)
Nbre de noyaux instables [%]

Nbre de noyaux instables [-]
80
1/2

60
1/4
40

1/8
20

0

t [s] 0 T 2T 3T 4T
t [s]
Figure 1.5 - Nombre de nucléides instables au cours du temps. On considère qu'au temps
t=0, on a N0 nucléides et que la période vaut T. (a) Échelle linéaire; (b) échelle semi-
logarithmique.

3.2. Période radioactive
La décroissance exponentielle du nombre de noyaux instables est souvent exprimée en fonction
du temps T nécessaire à réduire leur nombre d'un facteur deux. Ce temps est appelé période
radioactive et s'exprime en fonction de la constante de désintégration λ en notant qu'au temps
t=T, le nombre de noyaux instables est par définition égal à N0/2 :
N ( T ) = 1 N 0 ⇔ N 0 e −λT = 1 N 0 ⇔ −λT = − ln 2
2 2

ln 2 (1.7)
⇔ T= [s ] .
λ

100

80
Nombre de protons Z

60

40
T < 1 us
T<1s
T < 1 min
20 T<1h
T < 1 an
T > 1 an
stable
0
0 20 40 60 80 100 120 140
Nombre de neutrons N
Figure 1.6 - Répartition des périodes des radionucléides. On constate que les périodes les
plus longues ont tendance à être proches des noyaux stables.


La Figure 1.6 montre que, dans la carte des nucléides, les périodes les plus longues se trouvent à
proximité des noyaux stables. Inversement, les périodes les plus courtes correspondent aux
noyaux les plus éloignés.

3.3. Activité d'une source radioactive
On peut définir l'activité d'une source radioactive comme le nombre de désintégrations qui ont
lieu par unité de temps. Plus précisément, l'activité d'une certaine quantité de radionucléides
dans un état énergétique particulier à un instant donné se définit par le quotient de dN sur dt, où
dN est le nombre de transformations nucléaires spontanées depuis cet état d'énergie pendant
l'intervalle de temps dt :
−dN [ −1 ]
A= s = [ Bq ] . (1.8)
dt
L'unité de l'activité est donc l'inverse d'un temps. Etant donnée l'importance de cette grandeur,
on a attribué un nom particulier à son unité, le becquerel, abrégé [Bq]2.
La relation (1.6) permet d'exprimer l'activité au cours du temps :
A(t) = λ N(t) . (1.9)
Pour une source ayant une activité A0 au temps t=0, l'activité en fonction du temps s'exprime
donc par :

A ( t ) = A 0 e −λt = A 0 e
− ln 2 t
T
. (1.10)
Dans la pratique, l'intensité d'une source radioactive se décrit par l'activité, et non pas par le
nombre de nucléides instables. Il est en effet souvent plus simple de mesurer les particules
émises par une désintégration que de mesurer des nucléides instables qui peuvent
potentiellement se désintégrer.

4. Modalités de désintégration
Dans la section précédente, on s'est attaché à décrire l'évolution du nombre de nucléides au cours
du temps par le biais de l'activité et des quantités dérivées. Cette description ne faisait aucune
hypothèse quant à la nature physique des transformations. Dans la présente section, on
s'applique à décrire les types de transformations les plus courantes. Celles-ci se répartissent en
trois catégories :
• Les processus transformant spontanément un nucléide en un autre nucléide par l'émission
d'une ou plusieurs particule(s).
• Les processus transformant un nucléide en plusieurs autres nucléides.
• Les processus transformant un nucléide dans un état énergétique donné en un même nucléide
dans un autre état énergétique.

4.1. Désintégrations radioactives
Les désintégrations les plus courantes sont celles pour lesquelles le nucléide émet un noyau
d'hélium (particule alpha) ou un électron (particule bêta). Dans le cas des noyaux lourds, le
nucléide peut également se scinder en plusieurs noyaux et neutrons (fission nucléaire). Ces
transformations aboutissent à une modification de la composition des noyaux. Bien souvent,
après une transformation, le nucléide résultant se trouve dans un état énergétique excité. Il se
stabilise en libérant son énergie sous la forme d'un ou plusieurs photons (particules γ) ou en

2
L'ancienne unité d'activité, qui n'a plus cours légal en Suisse depuis le 1er janvier 1997 est le curie [Ci].
1 Ci = 3.7 1010 Bq

transférant son énergie aux électrons du cortège. Cette désexcitation ne modifie pas la
composition du noyau.
La condition fondamentale pour qu'un nucléide subisse une désintégration spontanée est que les
composantes finales soient dans un état énergétique inférieur à la composante initiale. Une
désintégration spontanée ne se produit que si elle conduit à une dissipation d'énergie.

4.1.1. Désintégration alpha
Lors d'une désintégration alpha (α), un nucléide E composé de Z protons et de N neutrons (et
d'un nombre de masse A=Z+N) se transforme en un nucléide E' par émission d'un noyau
d'hélium, appelé particule alpha et composé de 2 neutrons et 2 protons. Cette désintégration
aboutit à un nucléide contenant Z-2 protons et N-2 neutrons. Le noyau de départ, appelé le
noyau-mère, donne naissance à un nouveau noyau, le “noyau-fille”. Formellement, cela s'écrit :
A −4
A
EN → Z− 2 E 'N − 2 + 2 He2 .
4
(1.11)
Z {
α

La position relative du noyau-mère et du noyau-fille dans la carte des nucléides est indiquée à la
Figure 1.7.

Z

m

f

N

Figure 1.7 - Désintégration alpha dans la carte des nucléides. Le noyau-mère (m) se
désintègre en un noyau-fille (f) en perdant deux neutrons et deux protons.

La désintégration α concerne principalement les noyaux lourds. L'analyse des énergies des
particules α émises par un nucléide donné montre qu'elles forment un ensemble fini et discret.
Le spectre du rayonnement α est ainsi formé de lignes, où chacune d'entre elles correspond à un
état énergétique du noyau-fille.
Les informations relatives à une désintégration sont souvent données dans un schéma de
désintégration. La Figure 1.8 montre le schéma de désintégration du radium-226 (Ra-226).
Conventionnellement, l'axe vertical représente l'énergie et l'axe horizontal correspond au nombre
de protons. Dans le cas de la désintégration α, le noyau-fille est présenté à gauche du noyau-
mère, car il a deux protons de moins. Il est représenté plus bas que le noyau-mère, car son état
énergétique est inférieur.


T =1'622 a

226 Ra
88
α2 (1.2% ; 4.61 MeV)

0.18 MeV

α1 (98.8% ; 4.79 MeV)
0
222 Rn
86

Figure 1.8 - Schéma de désintégration du radium-226 (Ra-226). La période de ce
radioélément est de 1'622 années. Deux voies de désintégration α sont possibles. La
première voie concerne 98.8% des désintégrations : une particule α de 4.79 MeV est émise;
le noyau-fille est le radon-222 (Rn-222) directement dans son état énergétique fondamental.
Dans la deuxième voie (qui concerne 1.2% des désintégrations), une particules α de 4.61
MeV est émise. Le noyau-fille est le même que pour la première voie (Rn-222) dans un état
énergétique de 0.18 MeV supérieur (4.79 - 4.61). Cette énergie est libérée sous la forme
d'un photon de 0.18 MeV. Ceci conduit finalement à un noyau-fille dans l'état énergétique
fondamental.

4.1.2. Désintégration bêta moins
Au cours de la désintégration bêta moins (β-), le noyau instable émet un électron (particule β-) et
un anti-neutrino ( ν ). Le noyau-fille possède le même nombre de nucléons que le noyau-mère;
un neutron s’est transformé en proton à l’intérieur du noyau. On peut schématiser le processus
comme suit :
A
Z EN → A
Z +1 E 'N −1 + β− + ν . (1.12)
Figure 1.9. La désintégration β− concerne les noyaux dont le nombre de neutrons est
relativement élevé par rapport à la zone de stabilité des noyaux.

Z

f

m

N

-
Figure 1.9 - Représentation d'une désintégration bêta moins (β ) dans la carte des
nucléides. La flèche représente le déplacement dû à la désintégration. Le noyau-mère (m)
se désintègre en un noyau-fille (f) en remplaçant un neutron par un proton.

L'anti-neutrino est l'anti-particule du neutrino. Le neutrino est une particule neutre de masse
proche de zéro (voire nulle). Le taux d'interaction entre le neutrino et la matière est
extrêmement faible puisqu'on a calculé que son libre parcours moyen dans l'eau est de l'ordre de
plusieurs milliers d'années lumières3. Le neutrino est la particule la plus abondante dans
l'Univers. Chaque seconde, notre corps est traversé par plusieurs milliards de neutrinos.
L’énergie mise à disposition par la désintégration est répartie suivant une règle statistique entre
la particule β- et le neutrino. Ainsi les particules β n’ont pas toujours la même énergie : le
spectre du rayonnement β- est continu, de l’énergie nulle (toute l’énergie à disposition est
transférée au neutrino) à l’énergie maximale disponible (énergie nulle du neutrino); un exemple
de spectre β- est donné à la Figure 1.10. L’énergie maximale du rayonnement β- est située entre
quelques keV et quelques MeV. En général, un spectre β- est caractérisé par deux valeurs :
l'énergie maximale et l'énergie moyenne. Le rapport entre ces deux grandeurs est d'environ 1/3.
Nbre relatif de particules β-

P-32

E.max
1.71

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Énergie du rayonnement β - [MeV]

Figure 1.10 - Spectre énergétique des bêtas émis par le phosphore-32 (P-32). On notera
que ce spectre est continu avec des énergies comprises entre 0 et 1.71 MeV.

Un exemple de désintégration β- est donné à la Figure 1.11. Il s’agit du phosphore-32 (P-32) qui
est un émetteur β- pur, car la désintégration conduit directement à l’état fondamental du soufre-
32 (S-32).

Figure 1.11 - Schéma de désintégration du P-32. La période de ce radioélément est de 14.3
jours. Il n'existe qu'une seule voie de désintégration qui conduit directement au S-32 dans
son état énergétique fondamental. L'énergie indiquée dans le schéma (1.71 MeV)
correspond à l'énergie maximale possible; l'énergie effectivement reçue par la particule β se
situe entre 0 et 1.71 MeV.
3
Une année-lumière est la distance parcourue dans le vide par la lumière (environ 9.454 1015 m).

4.1.3. Désintégration bêta plus et capture électronique
Désintégration bêta plus
Au cours de la désintégration bêta plus (β+), le noyau instable émet un positron (particule β+,
électron positif) et un neutrino (ν). Le noyau-fille possède le même nombre de nucléons que le
noyau-mère; un proton s’est transformé en neutron à l’intérieur du noyau. On peut schématiser
le processus comme suit :
A
Z EN → A
Z −1 E 'N +1 + β+ + ν . (1.13)
Figure 1.12. La désintégration β+ concerne les noyaux dont le nombre de protons est
relativement élevé par rapport à la zone de stabilité des noyaux.

Z

m

f

N

+
Figure 1.12 - Représentation d'une désintégration bêta plus (β ) ou d'une capture
électronique dans la carte des nucléides. La flèche représente le déplacement dû à la
désintégration. Le noyau-mère (m) se désintègre en un noyau-fille (f) en remplaçant un
proton par un neutron. Dans le cas de la désintégration β+, un positron et un neutrino sont
émis. Dans le cas de la capture électronique, un électron de l'atome est absorbé et un
neutrino est émis.

Figure 1.13 - Schéma de désintégration du fluor-18 (F-18). La période de ce radioélément
est de 109 minutes. Il existe deux voies de désintégration pour ce nucléide qui conduisent
toutes deux à l'état fondamental de l'oxygène-18 (O-18). La première voie est empruntée
+
dans 97% des cas : il s'agit d'une désintégration β dont l'énergie maximale est 0.63 MeV.
La seconde voie n'est empruntée que dans 3% des cas : il s'agit d'une capture électronique.


La particule β+ n’existe pas dans la matière stable. Après son freinage dans la matière
(mécanisme décrit dans un chapitre ultérieur), le positron de faible énergie rencontre un électron
et s’annihile avec celui-ci, c’est-à-dire que les deux particules disparaissent, donnant lieu à
l’émission dans des directions opposées (180°) de deux photons d’énergie égale à l’énergie de
masse de l’électron, c'est-à-dire 0.511 MeV chacun. Ainsi la signature d’une désintégration β+
est l’émission de rayonnement gamma de 0.511 MeV.
Comme dans le cas de la désintégration β- le spectre du rayonnement β+ est continu. L’énergie
maximale est située aussi entre quelques keV et quelques MeV.

Capture électronique
La capture électronique (en anglais EC : electron capture) est un processus concurrentiel à la
désintégration β+. Dans ce cas, un électron d’une couche profonde de l'atome (e-), en général de
la couche K, est absorbé dans le noyau et un neutrino (ν) est émis. On peut schématiser le
processus comme suit :
A
Z E N + e− → A
Z−1 E 'N +1 + ν . (1.14)
La position relative du noyau-mère et du noyau-fille dans la carte des nucléides est la même que
pour la désintégration β+ (voir Figure 1.12).
La capture électronique est plus économique au point de vue énergétique que l'émission d'un
positron, si bien que lorsqu'il y a peu d'énergie disponible pour la désintégration, elle seule peut
se produire. Ce mode de désintégration est difficile à mettre en évidence, car le neutrino
emporte l'essentiel de l'énergie libérée. L'événement passerait inaperçu, si le noyau et son
cortège électronique ne se réarrangeaient pas. Comme indiqué plus haut, l'électron capturé
appartient généralement à la couche K. L'atome qui se retrouve avec un "trou" sur cette couche
est perturbé. Il se réarrange en émettant des rayons X de fluorescence ou des électrons Auger
(voir plus bas).
Ce mode de radioactivité est par conséquent difficile à détecter et n'a été découverte qu'en 1937,
40 ans après la désintégration β− et quelques années après la désintégration β+.
Un exemple de capture électronique dans le cas du fluor-18 (F-18) est donné à la Figure 1.13.
Les deux mécanismes de désintégration (β+ et capture électronique) co-existent pour un même
nucléide.

4.1.4. Fission spontanée
Au cours d'une fission nucléaire, un nucléide instable de numéro atomique élevé, se fractionne
en deux noyaux moyens (produits de fission). Au cours de ce processus, plusieurs neutrons sont
émis. Le schéma général d'une fission s'écrit :
A
Z EN → A1
Z1 E 'N1 + A 2 E ''N 2 + X ⋅ n ,
Z2 (1.15)

où Z=Z1+Z2 et N=N1+N2+X. Le nombre de neutrons (X) émis par fission est de l'ordre de 2 à 3.
Le même noyau-mère peut donner lieu à toute une série de couples de produits de fission, qui
sont en général radioactifs à leur tour. Il y a lieu de distinguer entre la fission spontanée et la
fission induite (en général par des neutrons) qui est utilisée sous forme de réaction en chaîne
dans les réacteurs nucléaires.

4.2. Désexcitation du noyau
Après une désintégration, le noyau-fille se trouve généralement dans un état énergétique excité.
La désexcitation du noyau peut se faire de différentes manières :
• Emission de rayonnement gamma.
• Transition isomérique.

• Conversion interne.

4.2.1. Émission de rayonnement gamma
L’émission de rayonnement gamma (γ) consiste à libérer l'énergie excédentaire du noyau-fille
par émission d'un photon. On peut schématiser le processus comme suit :
∗
A
Z E N → A E N +γ ,
Z (1.16)

où l’astérisque indique un état excité.
La plupart des désintégrations α et β sont suivies d’émission de rayonnement γ. L’émission de
rayonnement γ suit immédiatement celle des particules α ou β (durée de vie de l’état excité
inférieure à 10-10 s). L’énergie du rayonnement γ correspond à la différence d’énergie entre les
niveaux du noyau-fille.

T = 5.26 a

60
Co β 1 (99.8 %; 0.31 MeV)
27

2.51 MeV
β (0.2 %; 1.49 MeV) γ
2
1
1.33 MeV

γ
2
0.0 MeV
60
Ni
28

Figure 1.14 - Exemple d'émission de rayonnement gamma suivant la désintégration β du
-

cobalt-60 (Co-60). En raison des deux voies possibles de désintégration β du Co-60, deux
-

photons ont une certaine probabilité d'être émis lors de chaque désintégration. Dans 99.8%
des cas, un photon de 1.18 MeV (2.51-1.33) est émis. Dans 100% des cas, un photon de
1.33 MeV est émis.

Le spectre du rayonnement γ est un spectre de lignes, chacune d’entre elles correspond au
passage d’un état excité à un autre état du noyau-fille. Le schéma de désintégration du cobalt-60
(Co-60) est donné dans la Figure 1.14. Il s'agit d'un émetteur β- aboutissant au niveau
fondamental du noyau-fille par émission de rayonnement gamma.

4.2.2. Transition isomérique
La transition isomérique diffère de la simple émission de rayonnement γ par le fait que le noyau-
fille reste un temps non négligeable dans l'état excité.
Comme pour les autres processus de désintégration, la transition isomérique est un phénomène
statistique dont l'évolution au cours du temps est décrite par une loi exponentielle décroissante
caractérisée par sa période. L'exemple le plus important en radiologie médicale est celui du
technétium-99m (Tc-99m). Son schéma de désintégration est présenté dans la Figure 1.15. La
lettre "m" dans le symbole Tc-99m signifie qu'il s'agit de Tc-99 dans un état métastable; c'est-à-
dire un peu stable, mais pas suffisamment pour rester éternellement dans cet état.


99m
Tc (6 h)
0.1405 MeV

0.0
99 . 5
43 Tc (2,12 10 a)

Figure 1.15 - Exemple de la transition isomérique du technétium-99m (Tc-99m) dont la
période est de 6 heures. Cet isotope provient de la désintégration β du molybdène-99 (Mo-
-

99). Il émet des γ de 140.5 keV. Le noyau-fille est le Tc-99, qui est quasiment stable
. 5
puisque sa période est de 2.12 10 années.

4.2.3. Conversion interne
Au cours de la conversion interne, processus concurrentiel à l’émission de rayonnement γ, le
noyau-fille se désexcite en transmettant son énergie à un électron du cortège électronique qui est
émis hors de l’atome. On peut schématiser le processus comme suit :
A
Z E N → A E N +e− .
∗
Z (1.17)
La conversion interne a lieu préférentiellement pour les noyaux lourds (Z élevé). Le schéma de
désintégration du césium-137 (Cs-137), qui comporte des conversions internes et une transition
isomérique, est donné dans la Figure 1.16.

T = 30.05 a

137 β- (94.36 %; 513 keV)
Cs 1
55

T = 2.55 min
0.661.7 keV

β - (5.64 %; 1'175 keV) K (7.6 %)
2 γ (85.0 %) L (1.4 %)
M, N, O (0.36 %)

0
137 137
Ba Ba
56 56

Figure 1.16 - Schéma de désintégration du césium-137 (Cs-137) qui est un émetteur β de
-

30.05 ans de période dont le noyau-fille est le barium-137 (Ba-137) [source : Monographie
BIPM-5, Paris 2005]. Dans 5.64% des cas, le noyau-fille est directement dans son état
fondamental. Dans 94.36% des désintégrations, le Ba-137 est dans un état excité à
661.7 keV (Ba-137m). Cet état excité (métastable) du Ba-137 se relaxe à l'état énergétique
fondamental avec une période de 2.55 minutes. Pour chaque désintégration d'un noyau de
Cs-137, le Ba-137m descend à l'état fondamental un rayonnement γ de 661.7 keV avec une
probabilité de 85%. Dans les 9.36% des cas restant, la descente à l'état fondamental se fait
par conversion interne (émission d'un électron atomique recevant l'énergie du noyau). Les
électrons recevant les 661.7 keV à disposition sont ceux de la couche K (7.6%), de la
couche L (1.4%), ou ceux des couches supérieures (0.3%).


4.3. Stabilisation du cortège électronique
Après une capture électronique ou une conversion interne, l’atome-fille possède une vacance
électronique dans une couche profonde. Cette vacance est remplie par descente d’un électron
d’une couche externe. La nouvelle vacance créée est à son tour remplacée par un électron plus
extérieur. Cette cascade électronique conduit à la stabilisation du cortège électronique.

L’énergie mise à disposition lors du passage d’un électron dans une couche plus profonde peut
être émise de 2 manières :
• Par l'émission d'un photon, appelé rayon X de fluorescence.
• Par transfert de l’énergie à disposition à un électron du cortège électronique qui est éjecté
hors de l’atome; cet électron est appelé électron Auger.
Les processus d’émission ont lieu tout au long de la cascade, donnant lieu à un spectre complexe
(de lignes) de rayonnement de fluorescence et d’électrons Auger.
Ces deux mécanismes sont schématisés à la Figure 1.17.

(a) (b)
électron

vacance RX e-

noyau

orbitale

Figure 1.17 - Stabilisation du cortège électronique. Après une capture électronique ou une
conversion interne, la vacance créée est réoccupée par un électron plus extérieur.
L'énergie excédentaire de l'électron peut être libérée par émission de rayonnement X de
fluorescence (a), ou par émission d'un électron Auger (b).


Résumé II.1

• Les noyaux atomiques ou nucléides sont composés de neutrons et de protons liés entre-
eux sous l'effet de la force forte. Les nucléides stables ont tendance à avoir davantage de
neutrons que de protons.
• Les noyaux radioactifs ou radionucléides se désintègrent de manière spontanée. Au
cours du temps, leur nombre N décroît exponentiellement avec la constante de
désintégration λ : N=N0exp(-λt).
• La période d'un radionucléide T est la durée nécessaire à réduire le nombre de noyaux
radioactifs d'un facteur deux. La relation avec la λ est λ=ln2/T
• L'activité A d'une source radioactive est le nombre de désintégrations par unité de temps.
L'unité est le becquerel : 1Bq=1s-1. Au cours du temps, l'activité décroît comme le
nombre de noyaux radioactifs : A=A0exp(-λt).
• Au cours d'une désintégration radioactive, un noyau - appelé noyau-mère - libère de
l'énergie par émission d'une ou plusieurs particules. La composition du noyau résultant
- appelé noyau-fille - diffère de celle du noyau-mère.
• La désintégration alpha consiste en l'émission d'une particule alpha (noyau d'hélium : 2
protons + 2 neutrons). Le spectre énergétique est un spectre de ligne. Les nucléides
concernés sont plutôt ceux ayant un grand nombre de protons.
• La désintégration bêta moins consiste en la transformation, à l'intérieur du noyau, d'un
neutron en proton provoquant l'émission d'un électron (particule bêta moins) et d'un
anti-neutrino. Le spectre énergétique est continu. Les nucléides concernés sont plutôt
ceux dont le nombre de neutrons est relativement élevé (en dessous de la zone de
stabilité).
• La désintégration bêta plus consiste en la transformation, à l'intérieur du noyau, d'un
proton en neutron provoquant l'émission d'un positron (particule bêta plus) et d'un
neutrino. Le spectre énergétique est continu. Les nucléides concernés sont plutôt ceux
dont le nombre de protons est relativement élevé (en dessus de la zone de stabilité).
• La capture électronique est un processus concurrentiel à la désintégration bêta plus. La
différence réside essentiellement dans le fait que le noyau absorbe un électron atomique
au lieu d'émettre un positron.
• La fission spontanée consiste en un fractionnement d'un noyau lourd en deux noyaux
moyens et émission simultanée de plusieurs neutrons. Les noyaux-filles sont des produits
de fission en général radioactifs.
• Suite à une désintégration, le noyau-fille est souvent dans un état énergétique excité. La
stabilisation peut se faire par l'émission de rayonnement gamma (appelée transition
isomérique si elle est retardée) ou par transmission de l'énergie excédentaire aux
électrons du noyau (conversion interne).


Exercices II.1

1.1. Déterminer le nombre de neutrons et de protons des atomes suivants :
9 132 197 222
4 Be, 54 Xe, 79 Au et 86 Rn .

1.2. Compléter les relations suivantes :

(a) 239
94 Pu + 0 n →
1

(b) 16
8 O + 0n →
1
+ 1H .
1

1.3. Calculer le nombre de périodes nécessaires à faire diminuer l'activité d'un facteur 2.

1.4. Calculer le nombre de périodes nécessaires à faire diminuer l'activité d'un facteur 16.

1.5. Calculer l'activité d'une source de Co-60 (T=5.26 années) après 2 ans d'utilisation,
sachant que son activité initiale est de 300 TBq.

1.6. Une solution à injecter de Tc-99m (T=6.02 heures) doit être préparée pour 11:30 et doit
contenir à cette heure 100 MBq. On effectue la préparation en prélevant à 10:00 à partir
d'une solution d'activité spécifique de 70 MBq/ml à 8:00. Calculer le volume à prélever.

1.7. Peut-on trouver, dans la carte des nucléides, un émetteur bêta moins aboutissant
directement sur un émetteur bêta plus ?

1.8. Quelle est l'énergie du rayonnement gamma émis lors de la désintégration du Ra-226. De
quel nucléide émerge ce rayonnement ?

1.9. Indiquer le nombre total moyen de photons émis lors de 1000 désintégrations du Co-60.

1.10. Sachant que l'énergie de liaison des électrons de la couche K du Ba-137 est de 37.4 keV,
calculer l'énergie cinétique des électrons de conversion K, lors de la désintégration du Cs-
137.

1.11. Sur 1000 désintégrations du Cs-137, combien en moyenne aboutissent à l'émission d'un
photon de 660 keV ?


CHAPITRE II.2

SOURCES RADIOACTIVES

Objectifs du chapitre
• Connaître la provenance des sources radioactives naturelles.
• Citer les différents modes de production de sources radioactives artificielles.
• Expliquer les concepts d'activation, de fission et de filiation radioactive.
• Connaître les grandeurs décrivant une source radioactive scellée et non scellée.
• Citer les principales applications des sources radioactives.

2. Sources radioactives
Equation Section (Next)
1. Radioactivité naturelle
1.1. Formation des nucléides
Selon la théorie actuelle, l'Univers, entièrement constitué d'énergie, a commencé à se
matérialiser sous la forme de particules élémentaires comme les électrons, les protons ou les
neutrons, quelques fractions de seconde après le big-bang il y a environ 15 milliards d'années.
Les premiers noyaux se formèrent ensuite par les rencontres aléatoires de protons et de neutrons.
Après environ trois minutes, une partie des neutrons disponibles se sont liés aux protons afin de
former successivement des noyaux de deutérium (H-2) et d'hélium-4 (He-4). Le reste des
neutrons s'est transformé en un proton, un électron et un anti-neutrino par désintégration bêta
moins4. Dès ce moment-là, l'Univers était constitué de protons (H-1), d'hélium et de deutérium
dans les proportions suivantes : 1 noyau d'hélium pour 15 d'hydrogène, et 15 noyaux de
deutérium par million de noyaux d'hydrogène.

Figure 2.1 - Formation de noyaux lourds à l'intérieur d'une étoile.

Il a fallu ensuite attendre environ 600'000 ans pour que les électrons se lient aux noyaux pour
former les premiers atomes. Dès ce moment-là, et sous l'effet de la force gravitationnelle, les
atomes commencèrent à se condenser. La pression et la température ont augmenté jusqu'à
permettre les première fusions nucléaires des noyaux d'hydrogène en deutérium et en hélium :

4
La période du neutron hors d'un noyau est de 10.6 minutes.

les premières étoiles étaient nées. Le fonctionnement d'une étoile est complexe, mais pour
simplifier, disons qu'elle comporte principalement trois phases : une phase de compression, une
phase stationnaire, et une phase d'expansion.
La phase de compression rassemble la matière dans un volume suffisamment petit pour
permettre les réactions de fusion. Dans la phase stationnaire (dans laquelle se trouve le soleil
actuellement), l'étoile ne change quasiment pas de taille et les mécanismes de fusion synthétisent
des noyaux de masse plus élevées. Lorsque les processus de fusion ne peuvent plus être
entretenus, l'étoile peut se condenser énormément et se transformer en trou noir, ou se dilater
plus ou moins violemment5.
La phase d'expansion aboutit ainsi à la dispersion d'éléments plus lourds dans l'Univers. La
gamme de nucléides à disposition pour la formation des futures étoiles s'est ainsi enrichie.

1.2. Radionucléides terrestres
1.2.1. Origine des nucléides terrestres
Les nucléides composant notre planète ont en grande partie été formés à l'occasion d'un ou
plusieurs cycles stellaires, et se sont condensés il y a environ 4 à 5 milliards d'années. Dès ce
moment-là, la Terre était constituée d'une multitude de nucléides dont une proportion plus
importante que maintenant était radioactive. Les désintégrations de ces radionucléides originels
ont abouti à la composition terrestre actuelle. On estime que la radioactivité totale de la Terre
produit la moitié des quelques 42 1012 W d'origine interne de notre planète.

1.2.2. Familles radioactives
Les radionucléides naturels de nombre de masse élevé peuvent être classés selon leur famille
radioactive. Une famille radioactive est l'ensemble des nucléides découlant des désintégrations
successives d'un noyau mère donné. Il existe quatre familles radioactives naturelles qui se
distinguent par le nombre de masse (modulo 4) du noyau mère. Leurs principales
caractéristiques sont données au Tableau 2.1.
En plus des quatre familles radioactives naturelles, il existe un radionucléide de faible nombre de
masse dont la période est suffisamment longue pour être encore présent sur la Terre à l'heure
actuelle. Il s'agit du potassium-40 (K-40) dont les caractéristiques sont données au Tableau 2.2.

Tableau 2.1 - Les quatre familles radioactives naturelles se distinguent par le nombre de
masse (modulo 4) du premier élément. On constate que seule la famille 4n+1 ne comprend
pas d'isotope du radon et ne se termine pas par un isotope du plomb. Le dernier élément
de chaque famille est stable.
Nom de la famille Premier élément Période [ans] Radon Dernier élément
4 n (n=58) Th-232 1.39 1010 Rn-220 Pb-208
4 n + 1 (n=60) Pu-241 14.4 - Bi-209
9
4 n + 2 (n=59) U-238 4.51 10 Rn-222 Pb-206
4 n + 3 (n=58) U-235 7.13 108 Rn-219 Pb-207

1.2.3. Rayonnement cosmique et radioactivité induite naturellement
Le rayonnement cosmique a une origine galactique (étoiles à forte activité, explosions de
supernovae, rayonnement des pulsars) et une origine extra-galactique.

5
Lorsque l'expansion de l'étoile se déroule violemment sous la forme d'une gigantesque explosion, on parle de
super-nova.

Le système solaire est continuellement bombardé par des particules chargées de haute énergie
sans doute produites lors d'éruptions de type solaires dans notre galaxie : protons (85%),
particules alphas (12%), électrons (2%) et ions lourds (1%). Leur trajectoire est déviée par les
champs magnétiques solaires et terrestres ainsi que par le vent solaire. Ces particules constituent
une composante stable et essentielle du rayonnement cosmique dit primaire. L'autre
composante, en provenance du Soleil est générée par les perturbations magnétiques qui existent
à la surface du Soleil (éruptions solaires). C'est le vent solaire (constitué de protons pour la
plupart), dont l'intensité varie avec l'activité solaire selon un cycle de 11 ans.
En pénétrant dans l'atmosphère, les particules primaires incidentes interagissent avec les
constituants de l'air en donnant un ensemble complexe de particules secondaires (protons,
neutrons, …) et de photons. Ces particules interagissent à leur tour pour donner des phénomènes
de cascade nucléonique dans l'atmosphère. Compte tenu de leur absence de charge et de leur
plus long libre parcours moyen, les neutrons deviennent prédominants à mesure que progresse la
cascade.
Les deux principaux radionucléides créés dans l'atmosphère sont le tritium (H-3) et le carbone-
14 (C-14) dont les caractéristiques sont données au Tableau 2.2. Le tritium utilisé par l’homme,
principalement dans la peinture luminescente des montres, n’est pas extrait de l’atmosphère,
mais produit artificiellement. Le C-14 est présent en quantité infime par rapport au C-12 dans
l'atmosphère. Néanmoins, sa présence permet la datation des végétaux.

Tableau 2.2 - Caractéristiques des trois isotopes naturels du potassium (K) ainsi que du
tritium (H-3) et du carbone-14 (C-14) (référence : http://www.dne.bnl.gov).
Isotope Abondance [%] Période [ans] Désintégration Occurrence [%] Nucléide fille
K-39 93.2581 stable - - -
K-41 6.7302 stable - - -
β-
9
K-40 0.0117 1.277 10 89.28 Ca-40
EC 10.72 Ar-40
H-3 12.33 β- 100 He-3
β
-10 -
C-14 1.3 10 * 5730 100 N-14
*Dans l'atmosphère

2. Radioactivité artificielle
Les radionucléides peuvent également être produits artificiellement à partir d'autres nucléides.
Trois mécanismes sont à la base de leur production et de leur mise à disposition des utilisateurs :
l’activation, la fission et la filiation.

2.1. Activation
L’activation consiste à bombarder une substance à l’aide de particules de haute énergie et à
induire ainsi des réactions nucléaires dont les noyaux sortants sont radioactifs. On distingue
l’activation aux neutrons et celle aux particules chargées.

2.1.1. Activation aux neutrons
L'activation aux neutrons a lieu dans un réacteur nucléaire où les flux neutroniques sont très
élevés. On y place un nucléide donné dans le faisceau de neutrons qui peuvent être absorbés par
le noyau, formant ainsi un nouveau noyau qui peut être radioactif. Les noyaux obtenus par cette
méthode sont riches en neutrons et se désintègrent généralement par émission β-. Citons à titre

d'exemple l'irradiation du xénon-132 (Xe-132) par des neutrons qui produit du Xe-133 dont la
période est de 5.3 jours (voir Figure 2.2) :
132
Xe + n → 133 Xe + γ . (2.1)
Les réactions nucléaires comme celle-ci sont symbolisées de la manière suivante : noyau-cible
(particule incidente, particule sortante) noyau produit. La relation (2.1) est ainsi équivalente à :
132
Xe ( n, γ ) 133 Xe . (2.2)

(a) (b)

γ
n
Xe-132 Xe-133

Figure 2.2 - Activation du xénon-132 (Xe-132) par irradiation dans un faisceau de neutrons.
(a) Le Xe-132 absorbe un neutron, puis (b) le Xe-133 ainsi formé se désexcite en émettant
un photon.

2.1.2. Activation aux particules chargées
L'activation d'un nucléide peut également se réaliser à l'aide de particules chargées positivement.
Contrairement aux neutrons, une particule chargée positivement ne peut interagir avec un noyau
que si elle arrive à vaincre la barrière de potentiel coulombien produite par les protons du noyau.
Cela peut se réaliser en accélérant les particules chargées jusqu'à une énergie cinétique
supérieure à environ 10 MeV.
Typiquement, les activations aux particules chargées sont réalisées à l'aide de protons (p) ou de
noyaux de deutérium (H-2) souvent représenté par le symbole D. Ainsi, les réactions de
formation, de type (p,n) ou (D,n) permettent l’obtention de noyaux riches en protons. De tels
éléments ont une grande probabilité d'être des émetteurs β+. On citera à titre d’exemple la
production de radioéléments émetteurs β+ intéressants en médecine nucléaire dans le Tableau
2.3.

Tableau 2.3 - Exemples de quelques émetteurs β utilisés en médecine nucléaire et produits
+

par activation aux particules chargées.
Nucléide produit Nucléide de base Particule d'activation Réaction Période T [min]
14 11
C-11 N-14 p N(p,α) C 20
12
N-13 C-12 d C(D,n)13N 10
14 15
O-15 C-14 d C(D,n) O 2

2.2. Fission
Lors des mécanismes de fission induits par des neutrons dans les réacteurs nucléaires, les
produits de fission (noyaux de masse moyenne issus du fractionnement des noyaux lourds) sont
en général radioactifs et peuvent être utilisés comme radioéléments. Notons que dans un
réacteur, une gamme très large de produits de fission est formée, ce qui implique que le
radioélément désiré doit être séparé et purifié.


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