Transcription

• Speaker #0

  Saviez-vous qu'autrefois, on ajoutait des éléments radioactifs dans des produits du quotidien ? Dans les années 1920-1940, des crèmes, des dentifrices, des boissons énergisantes et même des suppositoires au radium étaient promus pour leur prétendu effet bénéfique sur la santé. Aujourd'hui, cette image positive a pris du plomb dans l'aile. Les bombes de Nagasaki et Hiroshima, les essais nucléaires, les accidents de Tchernobyl et Fukushima ont changé notre perception. Elle est désormais partagée et c'est normal, ce n'est pas un phénomène simple à appréhender. Dans cet épisode, nous allons tenter d'y voir plus clair. D'où vient-elle ? A quoi sert-elle ? Et dans quelle mesure est-elle dangereuse pour l'être humain ? Pour nous expliquer tout ça, je reçois Emmanuelle Gallichet, enseignante chercheuse de physique nucléaire au CNAM, le Conservatoire National des Arts et Métiers. Dans la prochaine interview, on parlera de déchets nucléaires. Donc si cela vous intéresse, abonnez-vous pour ne pas la manquer. C'est aussi un super moyen de soutenir la chaîne. Tout comprendre sur la radioactivité, c'est le thème de ce nouvel épisode d'Échange Climatique. Bonjour Emmanuelle Gallichet.

• Speaker #1

  Bonjour.

• Speaker #2

  Aujourd'hui on va parler de radioactivité, mais on ne peut pas comprendre exactement ce que c'est la radioactivité sans avoir quelques connaissances sur les atomes. Est-ce que vous pouvez nous apporter quelques notions préliminaires ?

• Speaker #1

  Oui, alors les atomes constituent toute la matière qui nous entoure, l'univers, le soleil, nous, nous-mêmes nous sommes constitués d'atomes. Et donc c'est vraiment la première... pierre qui, jusqu'à la fin du XIXe siècle, tout le monde pensait qu'effectivement c'était la première pierre de toute la matière, de tous les édifices qui nous entourent. Alors l'atome aujourd'hui, grâce à énormément de recherches depuis tout le XXe siècle, la fin du XIXe et le XXe, on sait que c'est plus la pierre fondamentale, élémentaire de la matière, mais dans beaucoup de je dirais de encore de recherche et même d'application industrielle, l'atome reste, je dirais, la première pierre, finalement, de ce qu'on regarde. Alors cet atome, il est évidemment constitué d'autres particules. Il est constitué d'un noyau et puis d'électrons qui tournent autour, qui sont régis par une théorie extraordinaire, révolutionnaire aujourd'hui, et d'ailleurs même dans le XXe siècle. qui est la mécanique quantique, on ne va pas en parler, mais c'est vraiment un objet quantique, l'atome. Donc l'atome, il y a au niveau de son centre un noyau, qu'on appelle le noyau atomique, dont la physique nucléaire justement étudie toutes les propriétés. Dans ce noyau atomique, vous avez des neutrons et des protons, qui eux-mêmes sont constitués de quarks. Donc vous voyez que là, aujourd'hui... dans notre description universelle de l'univers et de la matière, vous avez des particules qu'on appelle élémentaires, qui sont donc bien les quarks, qui constituent le neutron et le proton, et les électrons. Donc on a ces deux particules, le quark et l'électron, qui finalement sont les constituants de votre atome. Dans ce noyau atomique, les neutrons et les protons, ils sont un certain nombre et ils vont constituer donc Donc toute la table de Mendeleïev, le fameux tableau de Mendeleïev, où vous avez tous les éléments chimiques qui permettent d'avoir la matière qu'on a aujourd'hui et nous-mêmes. Donc on a aujourd'hui 118 éléments chimiques. Ça veut dire qu'il y a le Z égale 1 qui est l'hydrogène. Donc Z étant le nombre de protons du noyau atomique. Et puis ça va jusqu'à 118. L'oxygène, Z égale 8. On va en parler peut-être l'uranium, Z égale 92, donc 92 protons. Et donc, dans votre atome, finalement, les électrons, il y en aura autant pour que votre atome soit électriquement neutre. Il a besoin d'être électriquement neutre pour pouvoir se marier, finalement, avec d'autres atomes et faire des molécules et la matière que l'on connaît. Et donc, vous avez un atome avec Z protons, Z électrons et un certain nombre de neutrons qui... en général sont à peu près égales au nombre de protons, mais qui peuvent être beaucoup plus importants que le nombre de protons, c'est ce qu'on va appeler des isotopes. Donc un isotope, c'est un nucléide, donc un noyau atomique, dont le nombre de protons est équivalent, mais le nombre de neutrons peut changer.

• Speaker #2

  Donc en faisant mes devoirs, en révisant pour cette interview, j'ai lu que les isotopes avaient le même nombre de protons, ça veut dire qu'ils avaient les mêmes propriétés chimiques, mais un nombre de neutrons différent, donc des propriétés radiologiques différentes. Donc j'ai beau le savoir, pouvoir le répéter, je ne sais pas ce que ça veut dire.

• Speaker #1

  En fait, c'est pour ça qu'il faut revenir un tout petit peu en avant dans la théorie, dans la description qu'aujourd'hui on a de la matière et de l'univers. En fait, vous savez, on en parle souvent, il y a quatre interactions fondamentales qui permettent de tout décrire. La gravité, l'interaction nucléaire forte, faible et l'interaction électromagnétique. Et donc la chimie est régie par l'interaction électromagnétique, c'est-à-dire que ce sont les électrons qui sont autour des atomes, du noyau atomique, qui vont faire les réactions chimiques. Donc les atomes vont se donner ce qu'on appelle les électrons libres, ceux qui sont le plus en périphérie des orbites, vont pouvoir aller parler avec d'autres électrons d'atomes et donc faire des molécules. Et c'est ça la chimie. Donc vous voyez bien que les propriétés chimiques sont dépendantes du nombre d'électrons et donc du nombre de protons.

• Speaker #2

  Parce qu'il faut que ce soit équilibré.

• Speaker #1

  Absolument, pour que votre atome soit... autrement ça devient un ion. On en a entendu parler sûrement, on en parle au collège je crois, ou au lycée. Donc on a un atome neutre, donc même nombre d'électrons de protons, un ion, il y a des électrons en moins ou en plus. Donc c'est ça la chimie. Vraiment la réaction chimique c'est cela Et donc ça vient de l'interaction électromagnétique Quand vous allez changer le nombre de neutrons Et de protons de votre noyau Là vous rentrez dans ce qu'on appelle effectivement la physique nucléaire Le noyau Et donc là vous êtes sur des propriétés radiologiques, physiques différentes Parce que vous allez changer le nombre de protons et de neutrons

• Speaker #2

  D'accord On n'a pas encore parlé pour l'instant de radioactivité Oui Là, on apparaît des atomes sans dire qu'ils étaient stables ou instables. En quoi un atome instable se différencie d'un atome stable ? Et quand je parle d'instable, en fait, c'est un synonyme pour radioactif.

• Speaker #1

  Absolument. Instable, radioactif, c'est à peu près la même chose. Alors, il faut faire attention, puisque je vous ai dit, l'atome, c'est l'ensemble avec les électrons et le noyau, et la radioactivité, c'est bien un phénomène du noyau et non pas de l'atome. Donc, on ne dit pas un atome instable, on dit un noyau instable. Et on va l'appeler justement un radionucléide, nucléide venant de nucleus en anglais. Donc noyau, exactement. Donc votre noyau, il est régi par, c'est extrêmement compliqué au niveau théorique, parce qu'il est régi par les trois interactions dont je vous ai parlé, sauf la gravité qui, elle, se manifeste à une autre échelle, mais dans le monde subatomique. Donc bien, dans le monde nucléaire, vous avez trois interactions qui sont en compétition en fait. Donc l'interaction électromagnétique, la forte et la faible. Et donc, quand vous regardez cet édifice, soit les trois interactions réussissent à trouver un compromis pour stabiliser le noyau. Il y a plein de paramètres pour pouvoir stabiliser le noyau à partir des compromis de ces trois interactions. Mais en tout cas, si le compromis est assez important, c'est-à-dire que les trois belligérants finalement dans le noyau résistent entre eux, vous pouvez avoir ce qu'on appelle un noyau lié, voire stable, c'est-à-dire stable dans le temps, c'est-à-dire indéfiniment, il va rester ce qu'il est.

• Speaker #2

  Donc c'est les quarks entre eux qui sont stables, qui sont liés ?

• Speaker #1

  Absolument, c'est-à-dire que l'interaction nucléaire forte est assez forte pour compenser les autres interactions, donc c'est-à-dire entre les quarks, vous avez des échanges de ce qu'on appelle des gluons, vous voyez c'est un peu magique tout ça, mais en gros ça veut dire que l'interaction nucléaire forte est assez forte pour compenser les deux autres interactions qui sont électromagnétiques, et surtout l'interaction faible. Maintenant, il y a des moments où il y a des édifices nucléaires, donc des noyaux, qui finalement n'ont pas la possibilité d'être justement stables parce qu'ils sont trop lourds ou parce qu'ils ont un nombre de protons et de neutrons qui ne va pas bien, qui ne permet pas que l'interaction nucléaire forte puisse continuer parce que c'est la seule qui est vraiment attractive, qui permet la cohésion de la matière. L'interaction électromagnétique, c'est typiquement comme des aimants. C'est-à-dire que quand vous mettez des protons qui ont une charge électrique importante, ils n'aiment pas être dans le même sac. Vous pouvez bien voir un noyau, finalement, comme un sac de billes. Les billes étant des neutrons et des protons. Les neutrons, ils n'ont pas de charge électrique. Donc, ils compensent le fait que les protons en aient une et qu'ils aimeraient bien ne pas rester dans le même sac.

• Speaker #2

  Des pôles sud ou des pôles nord ?

• Speaker #1

  Voilà, c'est comme des aimants. Deux aimants différents vont s'attirer s'ils ont le même... Donc, c'est un peu comme ça. Et donc, vous avez des édifices où il y a trop de protons. Et donc là, ça ne va pas être lié. Donc, ça ne va pas être stable.

• Speaker #2

  Ça, c'est les noyaux lourds ?

• Speaker #1

  Non, quand vous avez trop de protons, c'est ce qu'on appelle les noyaux riches en protons. Les noyaux lourds, en fait, ils ont trop de tout. À un moment donné, vous ne pouvez pas mettre dans le même sac plein de protons et plein de neutrons. À un moment donné, ça ne tient plus. Donc, ça se casse. Et donc, par exemple, c'est les noyaux lourds qui vont émettre des particules qu'on appelle des particules alpha, qui sont des noyaux d'hélium, en fait. Ils vont se séparer d'une partie d'eux-mêmes, quelque part. Donc, il y a plusieurs moyens, finalement, d'être instables. Et puis, il y a un autre moyen. Donc, ça, c'est sur vraiment la constitution même du noyau. Mais même que si vous êtes stable ou instable, vous pouvez être aussi excité. C'est-à-dire qu'on peut vous amener une petite pichenette d'excitation, d'énergie, en plus qui fait que vous allez être dans ce qu'on appelle un état excité. Et donc, dans cet état excité, comme n'importe quel édifice, ce n'est pas un état qui peut rester longtemps excité. Les noyaux vont avoir envie de se désexciter et là, ils vont émettre... des particules de rayonnement. Donc là, c'est l'interaction électromagnétique qui va prendre le dessus et donc vous allez émettre des photons gamma. Donc vous voyez qu'il y a plusieurs manières d'être instable, d'être radioactif. Mais en tout cas, ce qui est sûr, c'est qu'un noyau instable ne le sera pas très longtemps. Il va avoir ce qu'on appelle une durée de vie.

• Speaker #2

  J'ai vu des vulgarisateurs qui parlaient des noyaux instables comme des noyaux malades. qui se sentaient comme on se sent juste avant un peu d'éternuer et d'expulser ce qui nous dérange, est-ce que vous trouvez que cette image colle avec la réalité ?

• Speaker #1

  Oui, je n'y avais pas pensé. Moi, je dis plutôt que c'est quand on fait du sport, par exemple, on va emmagasiner de l'énergie et puis ensuite, on va se refroidir, entre guillemets, et on va émettre de la transpiration, par exemple, ou on va arrêter de respirer très fortement pour redescendre dans un état plus stable. Mais effectivement, pourquoi pas, c'est un état... qui n'est pas supportable dans la durée. Dans la durée, oui. D'accord ? Donc, c'est vraiment, il y a deux, je dirais, deux grandes familles de noyaux. Il y a les noyaux stables qui, indéfiniment, restent dans la même composition, la même configuration. Et puis, il y a les autres. Et donc, ceux-là, obligatoirement, la nature n'aime pas être dans un état excité, quel qu'il soit. dans un état pas trop stable. Et donc, ils vont se désexciter ou se désintégrer. Vous voyez que c'est un peu différent, mais ça veut dire que dans le temps, ils vont disparaître pour devenir un autre noyau.

• Speaker #2

  Et c'est un phénomène qui arrive tout le temps, partout, en permanence.

• Speaker #1

  Absolument. Et donc, c'est ce qu'on appelle la radioactivité, justement. Le fait que vous avez des noyaux instables qui se désintègrent. c'est la radioactivité. Et ça, c'est un phénomène absolument naturel. Il y en a partout. Nous, nous sommes radioactifs, nous avons des noyaux radioactifs dans notre squelette. De partout, vous avez des noyaux radioactifs. Ça, c'est vraiment la base, je dirais, de la matière et de la création de l'univers.

• Speaker #2

  Donc, on a commencé à parler de rayonnement. Tu as commencé à en parler. Tu as parlé de l'alpha et du gamma, si je ne dis pas de bêtises. C'est quoi la différence entre ces différents types de rayonnement et surtout, pourquoi c'est intéressant de le savoir, de le connaître ça ?

• Speaker #1

  Alors, il y a, je dirais, vraiment de manière fondamentale, il y a trois phénomènes de désexcitation des noyaux. Et ça, ça vient de la composition vraiment du noyau. Pour émettre un électron, un bêta, ce qu'on appelle le rayonnement bêta, en fait, ça veut dire que votre rapport nombre de neutrons sur nombre de protons n'est pas exactement à l'équilibre. En gros, on peut voir les noyaux stables. jusqu'à tous les noyaux légers et moyens, ils ont à peu près le même nombre de neutrons et de protons. Donc, pour compenser entre l'interaction électromagnétique et l'interaction forte, ça suffit d'avoir le même nombre de protons et de neutrons. Après, quand vous allez monter dans les édifices un peu plus lourds, il va vous falloir plus de neutrons que vous n'avez de protons pour compenser l'effet de l'interaction électromagnétique, c'est-à-dire le fait que les protons n'ont pas envie de rester dans le même sac. L'émission alpha, L, c'est seulement pour les noyaux lourds, c'est-à-dire, je dirais, au-delà du plomb. D'accord. Z égale 82, à peu près. Bon, elle est autour de 80, il y en a quelques-uns, il y a des exceptions, évidemment, mais en gros, de manière générale, c'est cela. Et ça veut dire que vous êtes trop lourd, ça ne marche plus du tout, votre sac est vraiment... il y a trop d'instabilité dedans. Et donc, le noyau va choisir de déjecter. Cette fameuse particule alpha qui est un noyau d'hélium. Un noyau d'hélium, c'est la particule légère la plus stable de l'univers. Elle a deux protons et deux neutrons.

• Speaker #2

  D'accord. Et pour le gamma, du coup ?

• Speaker #1

  Oui, voilà, exactement. En fait, le gamma, c'est un tout petit peu différent. C'est vraiment, là, on voit très bien la mécanique quantique à l'œuvre. Donc, votre noyau, qu'il soit stable ou instable, c'est-à-dire stable ou radioactif, il a un état fondamental. et il a plein d'états excités, c'est-à-dire qu'il a une configuration énergétique, des neutrons et des protons, qui lui permet d'être dans son état fondamental, ce qu'on appelle l'état de moindre énergie. Mais si vous lui apportez de l'énergie, il n'est pas obligé d'aller émettre un neutron, un proton, un électron, etc. Il peut simplement être dans une configuration énergétique plus élevée. Et dans ce cas-là, quand il va vouloir revenir à son état énergétique fondamental ou plus stable, il va émettre un photon gamma. Donc vous avez des émissions radioactives qui changent la nature même du noyau et l'émission de photons, de rayonnements électromagnétiques, là vous gardez le Z et le N. Ne changez pas la nature de l'édifice nucléaire. C'est ça la différence en fait.

• Speaker #2

  C'est peut-être une question de Béossien, mais nos micro-ondes aussi émettent du rayonnement. Quelle est la différence entre ça et la radioactivité ?

• Speaker #1

  C'est une super question. Évidemment, il y a ce qu'on appelle le spectre électromagnétique des photons, c'est-à-dire qu'entre un micro-onde et un gamma, la seule différence, c'est son énergie. Le photon, comme il n'a pas de masse, on va le décrire avec soit une énergie, soit une longueur d'onde, soit une fréquence. C'est la même chose, fréquence, longueur d'onde, et donc énergie. Et donc, le micro-ondes a une petite énergie, alors que le gamma a des énergies très, très importantes. C'est pour ça que le micro-ondes n'est pas dangereux, quelque part, puisque c'est bien l'énergie émise qui peut avoir des problématiques sur l'environnement et l'être humain. Mais en tout cas, le micro-ondes n'a pas de problématiques de dangerosité, alors que le gamma, oui, puisqu'il a une très, très forte énergie. Donc, c'est juste ça la différence. Les mêmes sont des photons. D'ailleurs, le soleil nous envoie un rayonnement électromagnétique. La lumière, c'est aussi des photons.

• Speaker #2

  Inexorablement, ces atomes instables vont se désintégrer et vers un état stable. Donc, cette décroissance, c'est ce que tu disais tout à l'heure, c'est ce qu'on appelle la décroissance radioactive. Et c'est aussi ce qu'on appelle la demi-vie. Est-ce que tu peux nous expliquer ce que c'est ? demi-vie, est-ce que c'est quelque chose qu'on peut prédire très précisément ?

• Speaker #1

  Oui, alors il faut revenir un petit peu à faire un tout petit peu de mathématiques, mais c'est un niveau du lycée avec la décroissance, l'exponentielle négative. Donc, effectivement, la décroissance radioactive, c'est un phénomène aléatoire, spontané, naturel, et qui obéit aux lois de la statistique. Et donc, on peut la décrire grâce aux mathématiques. Donc là, on voit par exemple que les mathématiques c'est hyper important. pour expliquer le monde. Alors, on l'a décrit grâce à une loi mathématique qui est l'exponentielle négative, donc décroissante, d'accord ? Donc, inexorablement, tu le disais très bien, une source radioactive, donc une source où il y a des noyaux radioactifs, vont se désintégrer dans le temps suivant l'exponentielle négative. Cette exponentielle a deux propriétés importantes. La première, si tu te rappelles les cours de maths de lycée, c'est qu'elle n'atteint jamais zéro. Les exponentielles, quand le temps va vers l'infini, l'exponentielle ne touche jamais l'axe X. Donc ça veut dire qu'inexorablement, ça décroît. Le nombre de noyaux radioactifs dans une source radioactive décroît, mais n'atteint jamais zéro. Ça, c'est important. Et la deuxième, c'est qu'effectivement, on peut définir un pas finalement dans la durée de la décroissance qu'on appelle la période radioactive. Alors, on la définit comme étant la durée au bout duquel la moitié des noyaux radioactifs ont disparu. Donc, quand tu fais ta décroissance radioactive, donc avec l'exponentiel, tu fais N0 en haut, tu divises par 2, donc tu as N0 sur 2. Tu vas sur la courbe, tu descends sur l'axe des X pour trouver le temps. Et ce temps est exactement égal à ce qu'on appelle la période radioactive.

• Speaker #2

  Et donc, la période radioactive de l'uranium 238, celui qu'on trouve en majorité dans la nature, c'est 4,5 milliards d'années. Et est-ce que c'est là d'où viennent les craintes autour du nucléaire civil ? Parce que je regardais une vidéo d'un vulgarisateur scientifique et il était à Tchernobyl. Et en gros, il laissait entendre qu'il allait falloir gérer le site de Tchernobyl pendant des milliards d'années du fait que l'uranium 238 soit radioactif pendant une période. C'est trompeur, mais est-ce que tu peux expliquer pourquoi c'est une...