La radioactivité : pourquoi certains atomes se désintègrent

Au cours de la dernière semaine de février 1896, Henri Becquerel attendait désespérément le soleil. Dans son laboratoire du Muséum national d'histoire naturelle à Paris, il étudiait des sels d'uranium phosphorescents, s'attendant à ce que des cristaux chargés par la lumière du soleil émettent les mystérieux rayons nouveaux que Wilhelm Röntgen avait annoncés en novembre précédent. Son plan était simple : laisser les sels s'imprégner de lumière du jour, les poser sur une plaque photographique enveloppée dans un épais papier noir, et vérifier si quelque chose traversait l'emballage. Mais Paris resta couvert pendant plusieurs jours, et faute de soleil pour charger ses cristaux, Becquerel renonça pour le moment et fourra tout le dispositif, le sel reposant sur la plaque enveloppée, dans un tiroir.

Lorsqu'il développa enfin cette plaque le premier mars, il y trouva la silhouette du sel d'uranium imprimée nettement, claire et sans équivoque. Aucune lumière du soleil n'avait jamais atteint les cristaux. Ce qui avait exposé la plaque ne provenait pas de l'extérieur de l'uranium mais de son intérieur, une émission que le sel produisait entièrement de lui-même, dans l'obscurité, sans source d'énergie apparente. Becquerel venait de tomber sur une propriété de la matière que personne n'avait soupçonnée : certains atomes ne sont pas du tout stables, et ils se désintègrent selon leur propre rythme, en projetant du rayonnement au passage.

Cet article suit ce fil depuis le tiroir parisien jusqu'à l'hôpital moderne et à la datation de la Terre. Que sort-il réellement d'un atome instable, pourquoi certains se désintègrent-ils en quelques minutes et d'autres sur des milliards d'années, et pourquoi rien de tout cela n'est-il affecté par la chimie ordinaire de la chaleur, de la pression et des liaisons ?

Un accident dans un tiroir devient une science nouvelle

L'étrangeté du résultat de Becquerel est facile à sous-estimer. Les rayons X de Röntgen, découverts quelques mois plus tôt seulement, nécessitaient un appareillage : un tube à vide, une haute tension, un flux d'électrons percutant un métal. L'uranium de Becquerel n'avait besoin de rien, restant inerte dans un tiroir fermé tout en rayonnant malgré tout. Le temps nuageux, loin de ruiner l'expérience, fut précisément ce qui rendit la découverte possible, car il écartait la lumière du soleil comme explication et laissait l'uranium seul comme unique source.

Le phénomène trouva son champion en une jeune physicienne née en Pologne, à Paris. Marie Skłodowska Curie, avec son mari Pierre Curie, reprit l'énigme de Becquerel et la poussa beaucoup plus loin. À partir de 1898, à l'École de physique et de chimie industrielles de Paris, les Curie traitèrent des tonnes de pechblende, un minerai d'uranium sombre provenant des mines de Bohême, le séparant chimiquement fraction par fraction et mesurant l'activité de chacune. Certaines fractions étaient bien plus actives que la seule teneur en uranium ne pouvait l'expliquer, ce qui signifiait que le minerai contenait d'autres éléments, rayonnant plus intensément, en quantités infimes. De ce travail minutieux ils isolèrent deux nouveaux éléments, le polonium (nommé d'après la patrie de Marie) et le radium, ce dernier environ un million de fois plus radioactif que l'uranium lui-même.

La reconnaissance qui suivit fut historique. Marie Curie partagea le prix Nobel de physique de 1903 avec Pierre et Becquerel, et remporta en 1911 le prix Nobel de chimie pour l'isolement du radium. Elle demeure la seule personne à détenir des prix Nobel dans deux sciences distinctes. Le mot radioactivité, l'émission spontanée de particules ou de rayonnement par des noyaux instables, est d'elle.

Trois sortes de rayons, triés par un aimant

Si des atomes instables émettent quelque chose, la question évidente qui suit est : quoi. La réponse s'avéra n'être non pas une seule chose mais trois, et la personne qui les démêla fut Ernest Rutherford. Travaillant à l'Université McGill en 1899, il fit passer le rayonnement à travers un champ magnétique et le vit se scinder en composantes distinctes qui se courbaient dans des directions différentes et selon des amplitudes différentes. Un champ magnétique dévie les charges en mouvement, de sorte que la manière dont chaque composante se courbait révélait sa charge et, grossièrement, sa masse. Rutherford nomma les trois d'après les premières lettres de l'alphabet grec : alpha, bêta et gamma.

Une particule alpha est un noyau d'hélium-4 : deux protons et deux neutrons liés ensemble, portant une charge de +2 et une masse d'environ 4 unités de masse atomique. Elle est lourde et lente pour du rayonnement, et bien qu'énergétique, elle perd cette énergie presque immédiatement au contact, si bien qu'une simple feuille de papier ou la couche externe morte de la peau l'arrête.

Une particule bêta-moins est un électron, mais pas un électron arraché aux couches externes d'un atome. Il est créé à l'instant de la désintégration, lorsqu'un neutron à l'intérieur du noyau se transforme en un proton, un électron et un antineutrino, en éjectant ces deux derniers. La charge est de moins un et la masse est minuscule. Étant légères et rapides, les particules bêta pénètrent plus loin que les alpha, mais quelques millimètres d'aluminium les absorbent.

Le rayonnement gamma est différent par nature. Ce n'est pas du tout une particule de matière mais un photon de haute énergie, un paquet de rayonnement électromagnétique de masse nulle et de charge nulle, raison pour laquelle un aimant ne le dévie pas. N'ayant aucune charge à saisir ni aucune masse à arrêter, les rayons gamma traversent aisément la matière, et les atténuer exige des centimètres de plomb dense ou des dizaines de centimètres de béton. La propriété qui les rend utiles pour stériliser du matériel et imager le corps en fait aussi le plus difficile des trois à blinder.

L'horloge que rien ne peut ralentir

Savoir ce qui sort d'un noyau instable laisse encore en suspens la question la plus profonde : quand. Un atome d'uranium donné peut rester inchangé pendant un milliard d'années, tandis qu'un atome d'un isotope à courte durée de vie peut se désintégrer à la seconde suivante, sans aucun moyen de prédire lequel. La désintégration est fondamentalement statistique, et la loi qui la régit est la demi-vie, le temps nécessaire pour que la moitié d'un échantillon radioactif se désintègre.

L'arithmétique est limpide. Après une demi-vie, la moitié des noyaux d'origine subsistent. Après deux, un quart. Après trois, un huitième. Après n demi-vies, la fraction restante est un sur deux à la puissance n. L'échantillon n'atteint jamais tout à fait zéro ; il ne fait que se diviser par deux indéfiniment. Le remarquable est la rigidité de cette horloge. La demi-vie est une propriété du noyau lui-même, fixe pour chaque isotope, et ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni des liaisons chimiques, ni de la quantité de substance que l'on possède, ce qui distingue la radioactivité de presque tout ce qu'étudie un chimiste.

Chaque isotope suit son propre temps, et l'étendue est vertigineuse. Le carbone-14 a une demi-vie de 5 730 ans, l'uranium-238 se situe à environ 4,5 milliards d'années, comparable à l'âge de la Terre, et l'iode-131, un produit de fission, se désintègre en seulement 8,02 jours. Trois isotopes, trois horloges à des vitesses radicalement différentes, toutes régies par la même simple loi de division par deux.

Lire le temps lui-même, du mammouth à la Terre

Parce que chaque isotope se désintègre à un rythme fixe, un échantillon radioactif est une horloge, et l'on peut lire le temps écoulé en mesurant la quantité qui s'est désintégrée. L'astuce consiste à adapter l'horloge à la question, puisqu'un isotope n'est utile que pour dater des choses de l'ordre de sa propre demi-vie.

Le carbone-14 est l'horloge du passé récent. Les êtres vivants absorbent constamment du carbone, y compris une trace régulière de carbone-14 radioactif, et cessent à leur mort, après quoi le carbone-14 se désintègre simplement, de sorte que mesurer la quantité restante donne le temps écoulé depuis la mort. Avec sa demi-vie de 5 730 ans, le carbone-14 date de manière fiable de la matière organique vieille de quelques centaines d'années jusqu'à environ 50 000 ans, au-delà de quoi il en reste trop peu pour pouvoir le mesurer. La technique fut mise au point par Willard Libby à l'Université de Chicago en 1949, et elle transforma l'archéologie.

Pour les temps profonds, il faut une horloge bien plus lente. L'uranium-238, ne se divisant par deux que tous les 4,5 milliards d'années, date les objets les plus anciens du système solaire : les météorites les plus anciennes affichent environ 4,567 milliards d'années, et les plus vieux minéraux terrestres encore présents, de minuscules cristaux de zircon de l'ouest de l'Australie, remontent à environ 4,4 milliards d'années. Adaptez l'horloge à l'échelle de temps : vous ne dateriez pas un mammouth du Pléistocène à l'uranium, ni un zircon de l'Hadéen au carbone.

À l'intérieur de la clinique, le délai de 110 minutes

La radioactivité n'est pas seulement un outil pour regarder en arrière ; c'est un cheval de bataille de la médecine moderne, où la demi-vie dicte la logistique d'un service entier. Prenez la tomographie par émission de positrons, le scanner TEP. Il repose sur le fluor-18, un isotope qui se désintègre en émettant un positron, l'antiparticule de l'électron, avec une demi-vie de 110 minutes. Le fluor-18 est intégré dans le fluorodésoxyglucose, ou FDG, un sosie du glucose que les cellules les plus avides du corps absorbent avec empressement.

Après l'injection d'un patient, les tissus à forte demande en glucose, comme de nombreuses tumeurs, le cerveau et le cœur, captent le FDG et le concentrent. Chaque positron émis parcourt une distance infime avant de rencontrer un électron, moment où les deux s'annihilent et convertissent leur masse en une paire de photons gamma, portant chacun 511 kiloélectronvolts, s'envolant dans des directions exactement opposées. L'anneau de détecteurs du scanner capte les deux et trace la ligne qui les relie, cartographiant les endroits où le glucose est consommé.

Cette horloge de 110 minutes régit tout ce qui entoure la procédure. Le fluor-18 ne peut pas être fabriqué à l'avance et stocké ; en quelques heures, la majeure partie a disparu. Un centre TEP a donc besoin soit de son propre cyclotron sur place, soit d'une livraison le jour même réglée à la minute, et toute dose inutilisée est tout simplement perdue par désintégration. La physique de la demi-vie n'est pas ici une abstraction ; c'est un calendrier de livraison.

Mettre l'exposition sur une seule règle

Le rayonnement inquiète les gens, en partie parce qu'il est invisible et en partie parce que les chiffres sont peu familiers. La dose absorbée par les tissus vivants se mesure en sieverts, mais une manière plus intuitive d'ancrer l'échelle est la banane. Une banane ordinaire contient du potassium, dont une petite fraction est du potassium-40 radioactif, si bien qu'en manger une délivre environ 0,1 microsievert. Cela donne un étalon officieux mais réellement utile, la dose équivalente en bananes.

Les comparaisons éclairent les choses. Une radiographie thoracique délivre environ 100 microsieverts, soit à peu près mille bananes. Un vol transatlantique, où une atmosphère plus mince laisse passer davantage de rayonnement cosmique, en donne environ 40. La limite annuelle de dose pour le public aux États-Unis, au-dessus du bruit de fond naturel, est de 1 000 microsieverts, soit environ dix mille bananes. Le mal des rayons aigu ne commence qu'aux alentours de 1 000 000 de microsieverts, dix millions de bananes, des dizaines de milliers de fois au-delà de toute rencontre courante. Les voir côte à côte ne rend pas le rayonnement inoffensif, mais cela situe honnêtement chaque exposition sur une échelle où un examen et une catastrophe ne se trouvent nulle part proches l'un de l'autre.

Pourquoi la chimie ne peut atteindre le noyau

À la base de tout cela se trouve un fait que les étudiants jugent systématiquement contre-intuitif : la désintégration radioactive est un processus nucléaire, non chimique, et les leviers ordinaires de la chimie ne l'atteignent pas. Les vitesses de réaction chimique dépendent fortement de la température, de la pression, de la concentration et des liaisons qu'un atome forme, alors que la désintégration radioactive ne dépend d'aucune d'elles. Refroidir un échantillon d'uranium à des températures d'hélium liquide ne ralentit pas sa désintégration, le chauffer jusqu'à son point de fusion ne l'accélère pas, et le dissoudre dans un acide ne déplace pas du tout l'horloge, car la désintégration se produit au plus profond du noyau, bien en dessous des couches électroniques où se déroule toute la chimie.

Les échelles d'énergie rendent la séparation saisissante. Rompre une liaison chimique met en jeu quelques électronvolts, tandis qu'une transition nucléaire libère quelques mégaélectronvolts, soit environ un million de fois plus. Le noyau opère dans un régime différent.

Une dernière distinction prémunit contre une confusion fréquente : la demi-vie n'est pas la durée de vie. Elle indique combien de temps il faut pour que la moitié d'une grande population se désintègre, mais aucun noyau individuel n'a de durée de vie fixe, puisque la désintégration est purement statistique. Cela explique un paradoxe apparent : une longue demi-vie rend un isotope, à masse égale, moins dangereux, car moins de ses noyaux se désintègrent chaque seconde. L'uranium-238, se divisant par deux sur 4,5 milliards d'années, est faiblement actif et sans danger à manipuler en quantités modestes, alors que la même masse d'iode-131, se divisant par deux en huit jours, serait gravement dangereuse.

Points clés à retenir

La radioactivité est l'émission spontanée de particules ou de rayonnement par des noyaux instables, découverte par Henri Becquerel en mars 1896 lorsque des sels d'uranium se sont imprimés d'eux-mêmes sur une plaque photographique enveloppée, dans l'obscurité, Marie et Pierre Curie isolant le polonium et le radium à partir de la pechblende de Bohême en 1898, et Ernest Rutherford triant le rayonnement par déviation magnétique en 1899 en alpha (un noyau d'hélium-4 de charge +2, arrêté par du papier), bêta (un électron né lorsqu'un neutron devient un proton, arrêté par quelques millimètres d'aluminium) et gamma (un photon de haute énergie sans charge ni masse exigeant des centimètres de plomb). La colonne vertébrale quantitative est la demi-vie, le temps fixe pour que la moitié d'un échantillon se désintègre, une propriété du seul noyau, indépendante de la température, de la pression, de la chimie et de la quantité ; elle s'étend du carbone-14 à 5 730 ans pour la datation au radiocarbone, en passant par l'iode-131 à 8,02 jours et le fluor-18 à 110 minutes pour l'imagerie TEP, jusqu'à l'uranium-238 à 4,5 milliards d'années pour dater la Terre, tandis que la dose équivalente en bananes (environ 0,1 microsievert chacune) place chaque exposition sur une seule règle honnête, et le fait que la demi-vie soit statistique, et non une durée de vie, explique pourquoi un isotope à longue durée de vie est, à masse égale, le plus sûr.