Mesurer les rayonnements ionisants : terminologie et unités

Des rayonnements ionisants sont émis quand des substances radioactives décroissent. La décroissance radioactive intervient quand le noyau d'un atome décroît spontanément en émettant une particule (une particule alpha, un électron, ou un ou plusieurs neutrons).

Les particules alpha, les particules bêta, les rayons gamma et, indirectement, les neutrons représentent les quatre formes de rayonnements. Tous ont suffisamment d'énergie pour ioniser des atomes ou, en d'autres termes, pour leur ôter un ou plusieurs électrons.

Une particule alpha (particule ) se compose de deux protons et deux neutrons, soit l'équivalent du noyau d'un atome d'hélium. Les particules alpha provoquent facilement l'ionisation de la matière avec laquelle elles sont en contact et transfèrent de l'énergie aux électrons de cette matière. Une particule alpha peut parcourir plusieurs millimètres dans l'air, mais en général sa portée diminue en fonction de l'augmentation de la densité du milieu. Par exemple, les particules alpha ne traversent pas la couche superficielle de l'épiderme humain, mais si elles sont inhalées elles peuvent endommager les tissus pulmonaires.

Une particule bêta (particule ) est un électron ou un positron et est beaucoup plus légère qu'une particule alpha. Les particules bêta parcourent donc une plus longue distance que les particules alpha avant de perdre leur énergie. Une particule bêta d'énergie moyenne parcourt environ un mètre dans l'air et un millimètre dans un tissu biologique.

Les rayons gamma (rayons ) sont un rayonnement électromagnétique. Un élément radioactif peut émettre un rayonnement gamma (sous forme de paquets séparés, ou quantas, appelés photons) si le noyau résultant d'une décroissance alpha ou bêta est dans un état excité. Les rayons gamma peuvent pénétrer beaucoup plus profondément que les particules alpha ou bêta ; un photon de rayon gamma à haute énergie peut passer à travers une personne sans aucune interaction avec le tissu corporel. Quand des rayons gamma interagissent avec le tissu, ils entraînent une ionisation des atomes. On utilise quelquefois le terme "rayons X" pour désigner les rayons gamma émis par une décroissance radioactive qui se situent sur la partie inférieure du spectre du rayonnement électromagnétique émis par décroissance radioactive.

Les neutrons sont des particules neutres qui ne possèdent aucune charge électrique. A la différence des particules alpha et bêta, ils n'ont pas d'interaction avec les électrons et ne provoquent pas directement d'ionisation. Les neutrons peuvent toutefois provoquer indirectement une ionisation de différentes manières: collisions élastiques, diffusion inélastique, diffusion non élastique, réactions de capture ou processus de spallation. Ces processus débouchent selon les cas sur l'émission de rayons gamma, de rayonnement bêta et, dans le cas de la spallation, sur la production d'autres neutrons. Pour une explication plus détaillée voir HealthEffects of Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation (BEIR V report), National Academy Press, 1990, p. 15 à 17.

Mesurer la radioactivité

Les rayonnements ionisants peuvent être mesurés en ayant recours à des unités : les électrons-volts, les ergs et les joules. L'électron-volt (eV en abrégé) est une unité qui se rapporte à l'énergie nécessaire pour déplacer des électrons. Un électron est "fortement lié" dans un atome d'hydrogène (un proton et un électron). Il faut de l'énergie pour arracher cet électron du proton. Il faut 13,6 électrons-volts d'énergie pour complètement enlever l'électron du proton. On dit alors que l'atome est "ionisé". En jargon scientifique, "l'énergie d'ionisation" de l'électron fortement lié de l'hydrogène est de 13,6 électrons-volts.

Les électrons sont des objets très légers, et on ne s'attend donc pas à ce qu'un électron-volt représente beaucoup d'énergie. Un électron-volt est équivalent à seulement 1,6 x10^-19 joule d'énergie, autrement dit à 0,16 milliardième de milliardième de joule. Un joule (J en abrégé) est équivalent à la quantité d'énergie utilisée par une lampe d'un watt allumée pendant une seconde. Les énergies qui s'appliquent à la décroissance radioactive vont de quelques milliers à quelques millions d'électron-volts par noyau, ce qui explique que la décroissance radioactive d'un seul noyau amène généralement un très grand nombre d'ionisations.

La radioactivité d'une substance est mesurée par le nombre de noyaux qui subissent une décroissance par unité de temps. L'unité standardisée internationale de radioactivité est appelée le becquerel (Bq en abrégé) et est égale à une désintégration par seconde (dps). La radioactivité est également mesurée en curies, une unité à caractère historique basée sur le nombre de désintégrations par seconde d'un gramme de radium 226 (37 milliards). De ce fait 1 curie = 37 milliards de Bq. Un picocurie (un millième de milliardième de curie) = 0,037 Bq et 1 Bq = 27 picocuries. La radioactivité est également mesurée en désintégration par minute (dpm). Une dpm = 1/60 Bq.

L'activité spécifique est la mesure de la radioactivité d'une unité de masse d'une substance. Les unités sont les curies par gramme ou les becquerels par gramme. Ceci permet de savoir si une substance est plus ou moins radioactive qu'une autre. L'activité spécifique d'un radionucléide est inversement proportionnelle à sa masse atomique et à sa demi-vie.

Les mesures de la radioactivité dans le domaine de l'environnement ou de la biologie sont généralement exprimées sous formes de concentrations de radioactivité dans le sol, l'eau, l'air ou un tissu biologique. On trouvera par exemple des picocuries par litre, des becquerels par mètre cube, des picocuries par gramme, et des désintégrations par minute pour 100 centimètres carrés. Un picocurie (pCi) est égal à 10^-12 (ou 0,000000000001) curie. Parfois, la masse d'une matière radioactive par unité de sol ou de tissu peut être donnée et exprimée en parties par million, ou ppm, ou peuvent être exprimés en termes de masse. Ces chiffres peuvent être convertis en unités de radioactivité, puisque l'on connaît les activités spécifiques des différents radionucléides. Les désintégrations par minute pour 100 centimètres carrés (dpm/100 cm2) sont une unité couramment utilisée pour mesurer la contamination surfacique d'un objet, par exemple en béton ou en métal.

Mesurer une dose

Placer son corps près d'une source radioactive conduit à recevoir une dose. Pour évaluer le risque associé à cette exposition, il faut calculer la dose absorbée. Elle est définie comme l'énergie transmise à une masse définie de tissu biologique. Une dose n'est généralement pas uniformément répartie dans tout le corps. Une substance radioactive peut être assimilée de manière sélective par différents organes ou tissus.

Les doses d'irradiation sont souvent calculées en utilisant le rad (abréviation pour radiation absorbed dose/dose d'irradiation absorbée) comme unité. Un rad correspond à 100 ergs/gramme, autrement dit à 100 ergs d'énergie absorbée par un gramme d'un tissu biologique donné. Un erg est égal à 1 dix-millionième de joule. Cent rad équivalent à un joule/kilogramme (J/kg), qui est également égal à un Gray (Gy), l'unité normalisée du système international pour la mesure des doses d'irradiation. Et si le temps est un facteur ? Alors on parle de débit de dose (ou de dose par unité de temps). Un exemple de ces unités de débit de dose est le millirad/heure. Dans la vie de tous les jours, un joule (et plus encore un erg) est une quantité d'énergie plutôt petite. Mais en termes de potentialité d'ionisation de molécules ou d'éléments, un joule représente une énorme quantité d'énergie. Un joule de rayonnements ionisants peut provoquer des dizaines de millions de milliards d'ionisations.

Le roentgen mesure la quantité d'ionisation dans l'air causée par la décroissance radioactive des noyaux atomiques. Dans un tissu biologique non osseux, un roentgen équivaut à peu près à 0,93 rad. Dans l'air, un roentgen est égal à 0,87 rad. Les cadrans étalonnés en mR/h indiquent des milliroentgen par heure.

En termes physiques, la manière la plus élémentaire de mesurer l'effet d'un rayonnement est de mesurer la quantité d'énergie cédée à une masse donnée de matière. Toutefois, l'apport d'énergie ne représente qu'un des aspects rendant compte des dommages biologiques pouvant être provoqués par les rayonnements. Le détriment causé est plus grand par unité d'énergie quand celle-ci est cédée sur une distance plus courte. Ainsi une particule alpha, qui va céder la totalité de son énergie sur une distance très courte, provoquera beaucoup plus de dommages par unité d'énergie qu'un rayonnement gamma qui va céder son énergie sur un parcours plus long. La masse de matière biologique à laquelle l'énergie est cédée est également un facteur important. La sensibilité des différents organes est également variable. Le concept d'efficacité biologique relative (EBR) a été créé pour tenter de rendre compte de l'efficacité relative des différentes sortes de rayonnement dans la manière dont ils causent des dommages biologiques.

L'EBR varie en fonction de l'organe exposé, de l'âge de l'exposition, et d'autres facteurs. Un facteur unique, appelé facteur de qualité, est utilisé à des fins réglementaires pour convertir l'énergie cédée en rad, même si cela représente une simplification considérable des risques réels. Pour les rayonnements bêta et gamma, le facteur de qualité utilisé est 1, c'est-à-dire que 1 rad = 1 rem. Les rayonnements alpha provoquent des dommages bien supérieurs par unité d'énergie cédée à un tissu vivant. Le facteur de qualité pour les rayonnements alpha est actuellement de 20 (il faut multiplier par 20 la mesure du rayonnement alpha en rad pour obtenir des rem). Nous disons "actuellement" parce que le facteur de qualité pour le rayonnement alpha a changé au fil des années. Le facteur de qualité utilisé actuellement pour les neutrons est de 10.

Les facteurs de conversion de dose (FCD) sont utilisés pour convertir en une dose (exprimée en rems et en sieverts) une quantité de radioactivité (exprimée en curies ou en becquerels) inhalée ou ingérée par une personne. Les FCD utilisés avec une visée réglementaire sont dérivés de diverses données expérimentales et de modèles mathématiques.

Mesurer la radioactivité: instruments et méthodes
Glossaire