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Effets des particules chargées

Un ralentissement et une perte d’énergie en continu …

Particules chargées
Ce cliché de « chambres à bulles » visualise des particules chargées déposant leur énergie progressivement le long de leur trajectoire. Les chambres à bulles étaient de grands détecteurs que l’on plaçait dans les années 1960-70 sur le trajet de particules de très haute énergie produites par des accélérateurs. Ce cliché montre l’annihilation due à la collision d’un antiproton arrivant à gauche et d’un proton cible de l’hydrogène liquide qui remplit la chambre. L’antiproton et les 8 particules produites par l’annihilation ionisent le long de leur trajectoire l’hydrogène liquide. L’échauffement qui en résulte est à l’origine de bulles photographiées alors qu’elles sont encore microscopiques.
© IN2P3 ©

Les particules porteuses d’une charge électrique sont les seules à perdre leur énergie progressivement en arrachant des électrons d’atomes au long de leur parcours. Elles ralentissent puis s’arrêtent. Dans le domaine de la radioactivité, les corpuscules chargés desquels on doit se protéger en radioprotection sont les particules  alpha et  bêta.

Une action à distance
Du fait de sa charge électrique positive, une particule alpha est capable d’attirer à distance les électrons des atomes auprès desquels elle passe. C’est en arrachant un très grand nombre d’électrons qu’une particule chargée perd progressivement son énergie et finalement s’arrête. Les atomes qui ont perdu un électron sont devenus des ions, porteurs d’une charge électrique positive. C’est pourquoi ce phénomène s’appelle ionisation.
© IN2P3 ©

Particules alpha, produits de fission: des particules lourdes, lentes et ionisantes

Les particules alpha sont de petits noyaux dont l’énergie est insuffisante pour donner lieu à des réactions nucléaires (sauf exception). Ils interagissent avec le milieu traversé par le biais de leur charge électrique. Ils sont très ionisants, faciles à arrêter, mais ils sont beaucoup plus dangereux que les rayons bêta en cas d’ingestion ou d’inhalation.

La fission nucléaire dans les réacteurs, produit des noyaux – appelés produits de fission – qui héritent de l’énergie libérée. Ils perdront leur énergie en bousculant les atomes qu’ils rencontrent le long d’un très court parcours. Les fragments de fission sont également des noyaux. Ils sont extrêmement ionisants. Beaucoup plus lourds qu’une particule alpha, ils possèdent une charge électrique en proportion. Ils emportent chacun une énergie environ 25 fois supérieure à celle d’une particule alpha standard de 4-5 MeV. Cette énergie se retrouve sous forme de chaleur. Elle est à l’origine de l’électricité des centrales nucléaires.

Rayons bêta : des électrons légers, peu ionisants, et presque aussi rapides que la lumière

Les électrons ou positons, beaucoup plus légers, interagissent également par leur charge électrique, qui est moitié de celles des alpha. Alors que le parcours des alpha est court et rectiligne, la trajectoire des électrons bêta dont la masse est 8 000 fois plus faible est plus longue, imprévisible chaotique avec de brusques changements de direction.

Pouvoir d’ionisation : relation entre dépôt d’énergie et vitesse de la particule
La figure montre, pour des électrons bêta, la variation en fonction de l’énergie de leur transfert d’énergie dans le plomb, le fer et le carbone selon une formule classique due au physicien allemand Hans Bethe. Ce transfert dépend du rapport de la vitesse de l’électron et de celle de la lumière (paramètre x). Ce transfert passe par un minimum appelé minimum d’ionisation, correspondant à des vitesses proches de la lumière. Les alpha, trop lents, sont hors de la figure à gauche. Éloignés du minimum ils sont très ionisants. Par contre les électrons se retrouvent souvent proches du minimum. Ils ionisent peu.
© IN2P3 (Source Particle Data Group) ©

En raison de leur faible masse, les bêta sont beaucoup plus rapides que les alpha. La vitesse d’un électron de 20 keV , considéré comme mou, est de 82 000 kilomètres par seconde, celle d’un électron dur de 1 MeV (1000 keV) est de 282 000 km/sec proche de la vitesse de la lumière dans le vide (300 000 km/sec). Quand ces électrons traversent un milieu transparent comme le verre ou l’eau, ils peuvent aller plus vite que la lumière dans ce milieu et émettre alors une lumière caractéristique. C’est l’effet Cherenkov.

Ces électrons sont dits relativistes, car pour décrire leur comportement il faut prendre en compte la théorie de la relativité d’Einstein. Des électrons ou positons très relativistes qui passent près d’un noyau sont soumis à un autre phénomène appelé Bremsstrahlung ou rayonnement de freinage. Sous l’effet du champ électrique intense des noyaux, ils émettent un photon gamma ou X qui freine le mouvement de l’électron en emportant une partie de l’énergie. Ces photons de freinage qui accompagnent le rayonnement bêta sont à prendre en compte pour la radioprotection.