Les rayonnements ionisants sont partout dans l’univers. Ils viennent de l’espace sous forme de rayons cosmiques. Ils sont émis dans l’atmosphère par le radon et ses descendants radioactifs. Les radio-isotopes naturels pénètrent tous les tissus vivants et y restent. Aucun être vivant ne peut y échapper. En fait, l’évolution de toutes les espèces de la planète s’est faite grâce à la présence de rayonnements ionisants. Même si les effets biologiques de petites doses de rayonnement ne sont pas immédiatement apparents chez des humains exposés, il n’y a pas de doute qu’à partir d’une certaine intensité les rayonnements ionisants sont nuisibles. Leurs effets sont bien connus, tant en nature qu’en gravité.

S’il est vrai que les rayonnements ionisants peuvent être dommageables, ils ont, par contre, de multiples applications utiles. L’uranium radioactif produit de l’électricité dans les centrales nucléaires de nombreux pays. En médecine, les rayons X permettent de prendre des radiographies qui servent à diagnostiquer des maladies et des lésions internes. Les spécialistes de la médecine nucléaire se servent de produits radioactifs comme traceurs pour former des images détaillées de structures internes et pour étudier le métabolisme. Il existe des produits radiopharmaceutiques permettant de traiter des maladies telles que l’hyperthyroïdie et le cancer. Les radiothérapeutes ont recours aux rayons gamma, aux faisceaux de pions et d’électrons, aux neutrons et à d’autres types de rayonnement pour traiter les tumeurs cancéreuses. Les ingénieurs utilisent des éléments radioactifs pour faire des diagraphies des puits de pétrole et se servent de nucléodensimètres pour mesurer la densité des sols. Les radiographes industriels emploient les rayons X en contrôle de la qualité pour observer la structure interne des produits manufacturés. Dans les immeubles et les avions, les panneaux indiquant les sorties et les issues de secours portent des inscriptions au tritium radioactif qui les rend visibles dans l’obscurité en cas de panne de courant. D’innombrables logements et locaux commerciaux sont protégés par des détecteurs de fumée fonctionnant à l’américium radioactif.

Par leurs nombreuses applications, les rayonnements ionisants et les matières radioactives améliorent notre qualité de vie et aident la société de bien des façons. Bien sûr, nous devons toujours comparer les avantages de chaque application à ses risques. Ces derniers ne concernent pas seulement les travailleurs qui manipulent directement les rayonnements ou les substances radioactives, mais aussi le public, les générations futures et l’environnement. Au-delà des considérations politiques et économiques, lorsqu’il s’agit d’utiliser les rayonnements ionisants, il faut toujours que les avantages l’emportent de loin sur les risques.

Les rayonnements ionisants consistent en particules, y compris des photons, qui arrachent des électrons à des atomes et des molécules. Toutefois, certains rayonnements d’énergie relativement faible, comme les rayons ultraviolets, peuvent être ionisants dans des conditions particulières. Pour les distinguer des rayonnements qui provoquent toujours l’ionisation, on définit un seuil arbitraire d’énergie, en général 10 kiloélectronvolts (keV), à partir duquel les rayonnements sont dits ionisants.

Les rayonnements directement ionisants consistent en particules chargées: électrons énergétiques (parfois appelés négatons), positons, protons, particules alpha, mésons chargés, muons et ions lourds (atomes ionisés). Les rayonnements de ce type agissent sur la matière en vertu de la loi de Coulomb, leur charge attirant ou repoussant les électrons qui gravitent autour des atomes et des molécules.

Les rayonnements indirectement ionisants consistent en particules neutres; les plus courants étant les photons de plus de 10 keV (rayons X et gamma) et tous les neutrons.

Les photons des rayons X et gamma provoquent l’ionisation de la matière d’au moins trois manières différentes:

1. Les photons de faible énergie agissent essentiellement par effet photoélectrique, chacun d’eux cédant toute son énergie à un électron, qu’il détache de l’atome ou de la molécule. Le photon incident disparaît.

2. Les photons d’énergie intermédiaire agissent surtout par effet Compton: photons et électrons entrent essentiellement en collision en tant que particules. Le photon poursuit sa course dans une direction différente avec une énergie réduite, tandis que l’électron libéré s’éloigne après avoir acquis le reste de l’énergie du photon (moins l’énergie de liaison de l’électron à l’atome ou à la molécule).

3. La production de paires n’est possible qu’en présence de photons dont l’énergie dépasse 1,02 MeV (toutefois, à cette valeur, l’effet Compton continue à dominer, la production de paires ne devenant prépondérante qu’à des valeurs d’énergie supérieures). Le photon se désintègre, laissant à sa place une paire électron-positon (ce qui ne se produit qu’au voisinage d’un noyau, par suite du principe de la conservation de l’impulsion et de l’énergie). L’énergie cinétique totale de la paire électron-positon est égale à l’énergie du photon moins la somme des énergies correspondant à la masse au repos de l’électron et du positon (1,02 MeV). Les paires électron-positon poursuivent ensuite leur course en tant que rayonnements directement ionisants. Après avoir perdu une partie de son énergie cinétique, le positon finit par rencontrer un électron, ce qui entraîne l’annihilation des deux particules avec émission (en général) de deux photons de 0,511 MeV d’énergie à 180 degrés l’un de l’autre.

Un photon donné peut produire n’importe laquelle des formes d’ionisation mentionnées ci-dessus, sauf que la production de paires n’est possible que si son énergie est supérieure à 1,02 MeV. L’énergie du photon et la matière sur laquelle il agit déterminent le genre d’ionisation le plus susceptible de se produire.

La figure 48.1 montre les régions dans lesquelles chaque type d’interaction domine en fonction de l’énergie du photon et du numéro atomique de la cible.

Les interactions les plus courantes des neutrons sont les chocs inélastiques, la capture de neutrons (ou activation) et la fission. Il s’agit dans tous les cas d’interactions avec des noyaux. A la suite d’un choc inélastique avec un neutron, un noyau passe à un niveau supérieur d’énergie. Il peut libérer cette énergie en émettant un rayonnement gamma, une particule bêta ou les deux. En cas de capture du neutron, le noyau touché peut absorber le neutron incident et libérer de l’énergie sous forme de rayons X ou gamma, de particules bêta ou les deux. Les particules secondaires provoquent ensuite l’ionisation, comme on l’a expliqué plus haut. Dans le cas de la fission, un noyau lourd absorbe le neutron incident puis se divise en deux noyaux plus légers qui sont presque toujours radioactifs.

La Commission internationale des unités et mesures radiologiques (International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU)) élabore des définitions officielles acceptées à l’échelle internationale des quantités et unités de rayonnement et de radioactivité. La Commission internationale de protection radiologique (CIPR) formule également les normes de définition et d’utilisation des diverses quantités et unités employées en radioprotection. Nous présentons dans ce qui suit une description de quelques-unes des quantités, unités et définitions d’utilisation courante dans ce domaine.

Activité . Cette quantité représente le nombre de transformations radioactives par unité de temps à partir d’un niveau d’énergie donné, selon la formule : Equation (1)

A étant l’activité et dN le nombre probable de transformations radioactives spontanées à partir du niveau d’énergie donné dans l’intervalle de temps dτ. L’activité est liée au nombre N de noyaux radioactifs par la formule : Equation (2)

dans laquelle λ est la constante de désintégration. L’activité s’exprime en secondes inverses (s–1), l’unité spécifique étant le becquerel (Bq).

Constante de désintégration (λ). Pour un radionucléide donné, la constante de désintégration (également dite constante radioactive ) est la probabilité par unité de temps qu’une transformation radioactive se produise. La constante de désintégration s’exprime en secondes inverses (s–1). Elle est liée à la période radioactive t½ d’un radionucléide par la formule : Equation (3)

La constante de désintégration λ est liée à la vie moyenne τ d’un radionucléide par la formule : Equation (4)

L’activité A(t) et le nombre de noyaux radioactifs N(t) peuvent être exprimés en fonction du temps par les formules Α(0)e–λt et N(0)e–λt, respectivement.

Dose absorbée . C’est la quantité fondamentale de la dosimétrie des rayonnements ionisants. Il s’agit essentiellement de l’énergie que les rayonnements ionisants cèdent à la matière par unité de masse. La formule de la dose absorbée est la suivante : Equation (5)

D étant la dose absorbée et dε l’énergie moyenne cédée à la matière de masse dm. La dose absorbée s’exprime en joules par kilogramme (J kg–1), l’unité spécifique étant le gray (Gy).

Effet biologique déterministe . C’est l’effet biologique des rayonnements ionisants dont la probabilité est nulle lorsque la dose absorbée est petite, mais passe très rapidement à l’unité (100%) au-delà d’un certain niveau de dose absorbée (seuil). L’induction d’une cataracte est un exemple d’effet biologique déterministe.

Effet biologique stochastique ou probabiliste . C’est un effet biologique des rayonnements ionisants, dont la probabilité augmente avec la dose absorbée, vraisemblablement sans qu’il existe un seuil, mais dont la gravité est indépendante de cette dose. Le cancer est un exemple d’effet biologique stochastique.

Efficacité biologique relative (EBR) . L’EBR d’un rayonnement par rapport à un autre est le rapport inverse des doses absorbées produisant le même degré d’un résultat biologique défini.

Equivalent de dose . L’équivalent de dose HT est la dose absorbée en moyenne pour tout un tissu ou organe (par opposition à la dose absorbée en un point) et pondérée en fonction du facteur de qualité du rayonnement considéré. C’est une quantité relevant de la radioprotection, qu’il ne convient donc pas d’utiliser dans le cas des doses absorbées élevées reçues en un laps de temps relativement court. L’équivalent de dose est exprimé par la formule : Equation (6)

DT,R étant la dose absorbée moyenne pour tout tissu ou organe T attribuable au rayonnement R, et wR le facteur de pondération du rayonnement. L’équivalent de dose est exprimé en joules par kilogramme (J kg–1), l’unité spécifique étant le sievert (Sv).

Equivalent de dose efficace . L’équivalent de dose efficace E est la somme des équivalents pondérés de dose dans tous les tissus ou organes du corps. C’est une quantité relevant de la radioprotection, qu’il ne convient donc pas d’utiliser dans le cas de doses absorbées élevées reçues en un laps de temps relativement court. Elle est exprimée par la formule : Equation (7)

wT étant le facteur de pondération pour le tissu et HT, l’équivalent de dose pour le tissu T. La dose efficace s’exprime en joules par kilogramme (J kg–1), l’unité spécifique étant le sievert (Sv).

Facteur de pondération des rayonnements . Il s’agit d’un nombre wR qui, pour un type donné et une énergie donnée d’un rayonnement R, est représentatif des valeurs de l’efficacité biologique relative avec laquelle ce rayonnement peut provoquer des effets stochastiques à faible dose. Les valeurs de wR sont liées au transfert linéique d’énergie TLE ou TEL selon les publications. Elles sont indiquées dans le tableau 48.1. La figure 48.2 illustre la relation entre wR et le TLE dans le cas des neutrons.

Facteur de pondération des tissus wT. Nombre représentant la contribution du tissu ou de l’organe T au détriment total dû à l’ensemble des effets stochastiques résultant d’une irradiation uniforme de tout le corps. La raison d’être de ce facteur est que la probabilité des effets stochastiques dus à un équivalent de dose dépend du tissu ou de l’organe irradié. Un équivalent de dose uniforme appliqué à tout le corps devrait donner une dose efficace numériquement égale à la somme des doses efficaces pour tous les tissus et organes du corps. Par conséquent, la somme de tous les facteurs de pondération des tissus est normalisée à l’unité. Le tableau 48.2 présente les facteurs de pondération pour différents tissus et organes.

Période radioactive . La période radioactive (parfois appelée demi-vie ) est le temps nécessaire pour que l’activité d’un radionucléide donné diminue de moitié. On peut également dire que la période radioactive est égale au temps nécessaire pour que le nombre de noyaux, dans un système radioactif donné, diminue de moitié. L’unité fondamentale est la seconde (s), mais la période est aussi couramment exprimée en heures, en jours et en années. Pour un radionucléide donné, la période t½ est liée à la constante de désintégration λ par la formule : Equation (8)

Transfert linéique d’énergie. C’est l’énergie qu’une particule chargée transmet à la matière qu’elle traverse par unité de longueur de la trajectoire suivie. Elle est exprimée par la formule : Equation (9)

L étant le transfert linéique d’énergie et dε, l’énergie moyenne cédée par la particule après avoir franchi la distance dl. Le transfert linéique d’énergie (TLE ou TEL) s’exprime en joules par mètre (J m–1).

Vie moyenne . La vie moyenne ou durée moyenne de vie est égale au temps moyen pendant lequel un état nucléaire peut survivre avant de subir une transformation qui l’amènera à un niveau d’énergie inférieur avec émission d’un rayonnement ionisant. L’unité fondamentale est la seconde (s), mais la vie moyenne est aussi couramment exprimée en heures, en jours et en années. Elle est liée à la constante de désintégration par la formule : Equation (10)

τ étant la vie moyenne et λ, la constante de désintégration pour un nucléide donné à un niveau d’énergie donné.