Les rayonnements, c’est-à-dire tout processus physique transportant de l’énergie, ondes ou particules, sont omniprésents dans l’univers et dans l’environnement de la Terre. Les humains n’ont réellement pris conscience de leur existence, vers la fin du XIXe siècle, qu’avec les progrès rapides de la physique et de la compréhension de la structure de l’atome (cf. figure ci-dessous). Les RI, en interagissant avec la matière, ont la propriété de pouvoir transformer en ions les atomes, initialement électriquement neutres, en leur communiquant directement ou indirectement une charge électrique. Cette action ne peut se produire que si ces rayonnements sont suffisamment énergétiques, auquel cas ils peuvent aussi « bousculer » les atomes eux-mêmes ou briser des molécules, entraînant ainsi une détérioration de la matière.
Figure 1 : Représentation de l’atome (noter que le noyau est environ cent mille fois plus petit que l’atome lui-même !)
Source : http://sciencesphysiques.e-monsite.com/medias/images/schema-d-un-atome.png
Rappelons que l’atome, constituant de base de la matière, comprend un noyau formé d’un assemblage de protons, particules positives, et de neutrons, particules neutres. Il est entouré d’un nuage d’électrons, particules chargées négativement. Dans un état de stabilité, la charge positive du noyau équilibre la charge négative des électrons ce qui entraîne globalement la neutralité électrique de l’atome. Certains noyaux sont instables et peuvent émettre des rayonnements en se transformant. C’est ce que l’on appelle la radioactivité1, à l’origine elle-même de nombreux RI. Différents phénomènes, dont précisément l’interaction avec des RI, peuvent déstabiliser le nuage électronique des atomes et en modifier la charge : les atomes perdent alors leur neutralité électrique pour se transformer en ions positifs ou négatifs selon les cas.
Les actions des rayonnements ionisants sur la matière inerte…
Les RI - qu’ils soient de nature corpusculaire (particules α ou β liées à la radioactivité, rayons cosmiques2) ou électromagnétique3 (rayons X ou rayons γ)- peuvent engendrer des modifications de la matière inerte en provoquant des désordres dans l’arrangement des atomes donc des dégradations ou fragilisations des matériaux. Ce problème prend une grande importance pour des technologies accompagnées de fortes doses de rayonnements comme dans l’industrie nucléaire où l’état des matériaux doit être surveillé de très près...
Dans le domaine du spatial, satellites, missions habitées, missions exploratrices lointaines, l’électronique embarquée prend une importance fondamentale car elle permet de traiter les signaux provenant de nombreux capteurs aux fonctions très diverses et bien sûr elle est à la base de toute la partie numérique qui gère les informations et le fonctionnement de l’engin spatial considéré.
Comme nous venons de l’évoquer, l’espace est « rempli » de rayonnements énergétiques, très ionisants, qui peuvent dégrader les composants électroniques (transistors, circuits intégrés, etc.) et altérer plus ou moins gravement leur fonctionnement. Les panneaux solaires fréquemment utilisés comme sources d’énergie électrique voient ainsi leur rendement se dégrader au cours du temps.
L’étude du comportement des composants électroniques sous rayonnements est indispensable pour apprécier quelle sera la fiabilité du système embarqué et envisager des techniques de blindage ou de « durcissement » (diminution de la sensibilité aux rayonnements) pour protéger les composants. Les réponses à cette problématique peuvent être technologiques ou (et) numériques.
Ce problème se pose de manière générale dans tous les compartiments de nos sociétés devenues extrêmement dépendantes des systèmes électroniques et informatiques et donc rendues vulnérables à tout phénomène, naturel ou intentionnel, capable de détruire ou endommager gravement ces systèmes. Malheureusement cette menace n’est pas une vue de l’esprit car il faut évoquer le domaine des impulsions électromagnétiques de grande amplitude pouvant être engendrées par des dispositifs à visée militaire. Par exemple une telle impulsion pourrait être produite par une explosion nucléaire à haute altitude...
Une menace moins connue mais potentiellement destructrice serait une violente éruption solaire qui bombarderait la Terre de particules très énergétiques constituées d'électrons et de protons projetés à grande vitesse (~plusieurs centaines de km/s, certains approchant même la vitesse de la lumière...). Un tel bombardement a déjà eu lieu en 1859 mais c'était une époque où la technologie n'était pas encore développée et il a essentiellement affecté des télégraphes et provoqué de nombreuses et spectaculaires aurores polaires... De nos jours une éruption de ce type serait susceptible de mettre en panne de nombreux systèmes de transmission et même de perturber gravement les réseaux de distribution de l'électricité. En 2012, une telle éruption a bien eu lieu mais par chance notre planète n'était pas sur la trajectoire du flux dévastateur ; en sera-t-il toujours ainsi... ? Bien entendu de nombreux systèmes d'observation scrutent l'activité du soleil.
…Et sur le vivant
Les rayonnements ionisants ont une importante action sur le vivant. La matière organique est en effet constituée de nombreuses molécules plus ou moins complexes avec souvent de nombreux atomes. Une des caractéristiques des molécules organiques est leur relative fragilité vis-à-vis de rayonnements d’énergie supérieure à l’énergie de liaison entre atomes.
Lorsqu'un RI atteint une cellule d'un organisme vivant, il peut se former, dans certains cas, des radicaux libres, fragments de molécules très réactifs impliqués dans des réactions chimiques nocives pour l'organisme soumis au rayonnement. D’ailleurs de nombreux autres facteurs naturels ou artificiels, polluants chimiques, rayonnements de forte amplitude, etc. peuvent provoquer des dégâts semblables. Il se peut aussi que l’ADN de la cellule soit endommagé et que des mutations surviennent. Selon la gravité, elle peut être détruite et mourir. Les conséquences varient suivant le tissu atteint et la quantité de cellules éliminées. Mais cet effet peut aussi être bénéfique car on peut utiliser des radiations pour stériliser des aliments en tuant les bactéries ou, et c’est là une des grandes applications des RI, pour éliminer les tumeurs cancéreuses.
Figure 2 : De l'ionisation aux effets biologiques : Les conséquences biologiques les plus importantes des radiations sont essentiellement dues aux lésions des molécules d'ADN. La dissociation de molécules simples comme l'eau, très abondante dans le corps humain, libère aussi des radicaux libres très actifs chimiquement et donc agressifs. La gravité des effets dépend de la densité des ionisations dans le milieu. Les effets sont d'autant plus graves que l'énergie déposée dans le milieu est importante et localisée dans l'espace et dans le temps.
Source : http://www.laradioactivite.com/site/images/EffetsRayonnements.jpg
Traitement des cancers (radiothérapie)
Cette sensibilité des tissus vivants aux RI est à l’origine du traitement de nombreux cancers car il a été constaté depuis longtemps que les cellules cancéreuses étaient plus sensibles aux RI que les cellules saines ce qui ne veut pas dire que ces dernières ne soient pas affectées (cancers radio-induits). On utilise soit des rayons X que l’on dirige vers l’organe ou la région cible, en général en plusieurs séances, soit ce que l’on appelle la curiethérapie qui consiste à implanter une source radioactive qui va perdre son activité en quelques semaines (radioélément de courte période). On pourra aussi déplacer une source très radioactive au plus près de la tumeur pendant des temps beaucoup plus courts (curiethérapie à haute dose). La curiethérapie semble même être l’une des plus anciennes méthodes thérapeutiques puisque dès 1901, soit peu de temps après la découverte de la radioactivité par Henri Becquerel, il avait été constaté qu’une source radioactive en contact avec une tumeur était susceptible de faire régresser celle-ci. Le radium, découvert par Pierre et Marie Curie en 1898, a été utilisé jusqu’au milieu du XXe siècle puis d’autres radioéléments ont suivi. Actuellement l’isotope de l’iridium (192Ir) de période radioactive 74 jours sert fréquemment de source car sa courte période en fait un élément très radioactif pouvant délivrer sur la tumeur une dose importante de radiations en un minimum de temps et ainsi tuer un maximum de cellules cancéreuses en préservant le plus possible les cellules saines.
Figure 3 : Appareil de radiothérapie - Crédit Wikipedia/Guy Labègue
Le pouvoir pénétrant des rayons X et γ : les imageries
Ces rayonnements électromagnétiques très énergétiques ont un fort pouvoir pénétrant sur la matière. Les rayons γ sont utilisés pour radiographier des matériaux et des structures sans destruction afin de visualiser des défauts internes tels que des fissures.
L’usage des rayons X pour la radiographie du corps humain, commencée dès le début du XXe siècle, a été une étape majeure pour l’imagerie médicale avec tous les progrès associés. D’autres usages plus minoritaires et spécifiques existent, par exemple pour radiographier des œuvres d’art (tableaux anciens).
Les dangers des radiations
Les radiations sont à la fois « anges et démons » car si elles peuvent soigner des cancers elles peuvent également provoquer des tumeurs ou à forte dose des dégâts irréversibles sur le vivant voire être létales pour l’organisme irradié. On peut dire que nous baignons dans la radioactivité due à de multiples sources, certaines naturelles, d’autres plus ou moins dangereuses. Les grands accidents de centrales nucléaires (Tchernobyl, Fukushima) ont libéré des fortes doses de radioactivité qui ont impacté l’environnement et les populations. Plus loin de nous les deux terribles bombes atomiques larguées en 1945 sur le Japon ont été responsables de la mort directe ou indirecte de plusieurs centaines de milliers de civils…
L’effet potentiel des radiations est quantifié par une unité que l’on nomme le Sievert (symbole Sv). Celle-ci représente l'absorption du rayonnement par le corps humain et les effets associés. A titre d’exemple la radioactivité naturelle à laquelle est soumis en moyenne un Français est de 2,4 mSv (2,4 millisievert) par an. Pour un travailleur du nucléaire on admet 20 mSv par an. La dose létale se situe aux environs de 8.000 à 10.000 mSv. Des appareils de mesure (compteur Geiger) ou des dosimètres sont utilisés pour détecter les rayonnements et mesurer les doses reçues.
Figure 4 : Les effets des radiations nucléaires - Crédit François Darouin
Source http://francois.derouin.free.fr/svtclggsand/wp-content/uploads/2011/05/1359884_radioactivite1.jpg
En ces temps de conquêtes spatiales, les radiations qui peuplent l’espace constituent un réel souci pour les humains passagers de véhicules spatiaux lors de missions de longue durée. En particulier l’impact de particules très énergétiques (les fameux rayons cosmiques…) dont la fréquence et l’énergie sont imprévisibles. Un blindage partiel peut être constitué par les réserves d’eau du vaisseau mais il faut bien reconnaître que la protection des astronautes demeure un problème préoccupant très partiellement résolu.
Au début du XXe siècle, les dangers de la radioactivité étaient mal connus voire totalement ignorés. Un exemple célèbre est celui de Marie Curie qui, pour avoir beaucoup manipulé des substances radioactives (elle découvrit le polonium et le radium avec Pierre son époux), est morte d’une leucémie très vraisemblablement radio-induite à l’âge de 66 ans.
Une autre anecdote moins connue mais tragique est celle des radium girls aux Etats Unis, autour des années 1920. A cette époque on utilisait des sels de radium pour fabriquer des peintures fluorescentes destinées à peindre des cadrans de montres afin de les rendre lumineux dans l’obscurité. Ce travail était confié à des ouvrières qui utilisaient des pinceaux fins pour appliquer cette peinture radioactive. Non seulement aucune protection n’était envisagée pour ces malheureuses mais de plus elles devaient mouiller leur pinceau avec leur bouche et leurs lèvres pour épointer celui-ci… Beaucoup de femmes ont rapidement commencé à souffrir d’anémie, de fractures osseuses, et de nécroses de la mâchoire. Sont apparues ensuite des tumeurs cancéreuses des os. Quatre premiers décès eurent lieu au début des années 20 dans des souffrances terribles avant que des mesures soient prises…
Figure 5 : Ouvrières en train de peindre des cadrans lumineux avec de la peinture radiactive. Appelées aussi radium girls - Crédit : Domaine public USA (1924)
La naïveté concernant les dangers de la radioactivité était telle à cette époque que même des médicaments et des crèmes de beauté au radium étaient commercialisés ! Le radium aux propriétés étonnantes apparaissait comme une substance « magique » dont les effets ne pouvaient être que bénéfiques…!
Conclusions
De nos jours les impacts des rayonnements ionisants sur la matière inerte et sur le vivant sont assez bien connus mais le meilleur moyen de s’en protéger est d’éviter de s’exposer lorsque cela est possible car leur invisibilité et leurs effets souvent différés les rendent particulièrement sournois et donc dangereux lorsqu’ils ne sont pas détectés par des dispositifs dédiés.
Références
1 Pour une vue plus détaillée sur la radioactivité consulter l’article de Parlons Sciences du 13 février 2013 : La Radioactivité : de la Torbernite à Fukushima.
2 Les rayons cosmiques sont constitués par des noyaux atomiques et des particules très énergétiques circulant dans l’univers et se déplaçant souvent à des vitesses proches de celle de la lumière.
3 Voir l’échelle des longueurs d’ondes dans l’article du 4 février 2013 de Parlons Sciences : L'eau est partout sur notre planète, mais qu'en est-il ailleurs...?
Article par Jean-Pierre Ulmet, physicien, professeur émérite à l'INSA et volontaire du Muséum.
Mis en ligne le 1er octobre 2019
Crédit Photo illustration : Pixabay