Interaction des particules alpha et beta- avec la matière

22 janvier 2024 Catégorie(s) : Radioprotection

Dans un précédent article, nous avons vu que les rayonnements ionisants étaient capables d’interagir avec la matière qu’ils traversent. Les rayonnements ionisants ont la particularité d’avoir suffisamment d’énergie pour ioniser les atomes rencontrés sur leur passage.

Il existe plusieurs types de rayonnements ionisants ; nous nous intéresserons dans cet article aux particules chargées, α et β-.

Les particules alpha (chargées lourdes)

Les particules α sont émises par des noyaux radioactifs de masse importante, comme l’uranium ou le radium. Elles sont composées de deux protons et de deux neutrons, et sont donc chargées positivement.

La plupart des particules α possèdent une énergie comprise entre 4 et 9 MeV, ce qui est très élevé. Mais la masse importante des particules α implique qu’elles sont rapidement arrêtées dans la matière.

Une particule alpha ne perd pas la même quantité d’énergie durant tout son parcours. Elle est beaucoup plus ionisante vers la fin de sa trajectoire.

Les particules α ont un pouvoir ionisant très important, c’est-à-dire qu’elles vont arracher beaucoup d’électrons aux atomes rencontrés sur leur passage.

La contrepartie est qu’elles vont être arrêtées rapidement, et vont donc parcourir une faible distance (quelques centimètres dans l’air). Leur trajectoire reste peu déviée.

Les particules beta –

Les particules β- sont des électrons émis par le noyau à l’issue d’une désintégration.

Les particules β- (ou électrons β-) ont une masse faible et sont chargées négativement.

Pour les particules β-, l’énergie du rayonnement est appelée « énergie cinétique ». Elle est comprise entre 10 keV et 3 MeV.

Un électron β- va perdre son énergie cinétique par interactions successives avec les constituants de la matière. Selon la nature de ces constituants (électrons du cortège ou noyaux), l’électron va interagir différemment.

Le plus fréquemment, un électron β- va rencontre un des électrons présents dans le cortège électronique d’un atome. En percutant cet électron, il va lui transmettre une partie de son énergie.

Trois cas peuvent alors se présenter :

L’ionisation se produit quand l’interaction a lieu avec un électron d’une couche externe.
L’excitation se produit lorsque l’électron percuté est proche du noyau.
Plus rarement, un électron pourra interagir à proximité d’un noyau, sans le percuter : c’est le phénomène de freinage.

1) Ionisation

Dans le cas de l’ionisation, l’énergie transférée est supérieure à l’énergie de liaison : l’électron est arraché de sa couche électronique.

En effet, plus l’électron est éloigné du noyau (couche externe), plus son énergie de liaison est faible et plus il est facile à arracher.

L’atome ainsi défait d’un de ses électrons n’est plus électriquement neutre : il devient un ion positif (ou cation). Pour revenir à un état neutre, il peut récupérer un électron en « capturant » un électron libre provenant d’une autre source. Cela peut se produire lorsqu’il entre en contact avec un atome neutre ou un autre ion négatif (anions). En récupérant un électron, l’ion positif redevient un atome neutre.

Après interaction, la particule β- incidente est déviée, mais elle continue à interagir avec la matière jusqu’à ce que son énergie soit épuisée.

L’électron qui a été arraché au cortège est lui aussi maintenant porteur d’énergie (transmise par la particule incidente) et peut à son tour interagir avec la matière.

Cette énergie n’est pas très importante : elle est de quelques kev dans la majorité des cas.

2) Excitation

Dans le cas d’une excitation, c’est un électron proche du noyau qui est percuté. Comme il est proche du noyau, il a une forte énergie de liaison.

Si l’énergie de l’électron incident n’est pas suffisante pour l’éjecter du cortège, l’électron percuté va être transféré sur une autre couche électronique, plus éloignée. C’est ce qu’on appelle l’excitation électronique.

L’électron va alors laisser un vide dans le niveau qu’il occupait, et l’atome devient instable. Pour stabiliser l’atome, les électrons situés dans les niveaux supérieurs vont redescendre vers les niveaux les plus bas. Ce phénomène est appelé le réarrangement électronique.

Et lorsqu’un électron descend d’un niveau énergétique supérieur vers un niveau inférieur, il perd de l’énergie.

Cette énergie perdue par l’électron est alors émise sous forme d’un rayonnement électromagnétique X de faible énergie (photon lumineux X), de quelques keV seulement.

Quant à l’électron incident, il est dévié et continuera à interagir tant qu’il lui restera de l’énergie cinétique.

3) Freinage

Le dernier phénomène possible est le freinage. Il concerne l’interaction d’un électron à proximité du noyau d’un atome.

L’électron subit l’attraction des charges positives du noyau : il est dévié et ralenti. Par ralentissement, il perd ainsi une partie de son énergie cinétique sous la forme d’une onde électromagnétique, dite de freinage.

La nature de cette onde est de type X.

L’énergie de ce rayon de freinage est plus importante que celle émise lors d’un réarrangement électronique : quelques dizaines de keV.

Ce phénomène devient plus probable si l’interaction a lieu sur des noyaux lourds, comme par exemple le plomb. En effet, plus le noyau est « gros », plus il a de chance d’être sur la trajectoire d’un électron.

L’énergie de l’électron incident est également un paramètre important : plus elle est importante, plus le freinage devient probable. Ce sera le cas par exemple de certaines particules β- émises par le phosphore 32, d’énergie βmax 1,7 MeV.

Or les rayons X (comme les rayons γ) peuvent traverser très facilement la matière : ils introduisent donc un risque d’exposition externe. Il sera donc important de veiller à limiter au maximum l’apparition de ce phénomène de freinage.

Protection externe contre les particules alpha et beta-

Comme la particule α est peu pénétrante, elle n’introduit pas de risque d’exposition externe élevé. Les particules α peuvent être arrêtées par une simple couche de papier. L’épiderme de la peau est suffisamment épais pour absorber les particules α dans ses couches supérieures de kératine qui ne contient que des cellules mortes.

Notons toutefois que les particules α sont très nocives en cas d’inhalation ou d’ingestion. Elles seront alors en contact avec des tissus fragiles et sur la courte distance parcourue, feront des dégâts importants.

Pour les particules β-, des trois types d’interaction possibles, la plus pénalisante en radioprotection est le freinage car l’émission d’un rayon de freinage (de type X) peut atteindre plusieurs dizaines de keV.

Comme ce phénomène de freinage est plus probable avec les noyaux lourds, pour la manipulation de radionucléides émettant des rayonnements β de fortes énergies (comme le Phosphore 32), on évitera les matériaux de protection lourds comme le plomb, et on préfèrera les matériaux légers tels que plexiglas. Cela limitera ainsi la production de rayons X dangereux pour l’exposition externe.