Effets biologiques du rayonnement

Tous les nucléides radioactifs émettent des particules de haute énergie ou des ondes électromagnétiques. Lorsque ce rayonnement rencontre des cellules vivantes, il peut provoquer un échauffement, briser les liaisons chimiques ou ioniser des molécules. Les dommages biologiques les plus graves se produisent lorsque ces émissions radioactives fragmentent ou ionisent des molécules. Par exemple, les particules α et β émises par les réactions de désintégration nucléaire possèdent des énergies beaucoup plus élevées que les énergies des liaisons chimiques ordinaires. Lorsque ces particules heurtent et pénètrent dans la matière, elles produisent des ions et des fragments moléculaires extrêmement réactifs. Les dommages causés aux biomolécules des organismes vivants peuvent provoquer de graves dysfonctionnements dans les processus cellulaires normaux, mettant les mécanismes de réparation de l'organisme à l'épreuve et provoquant éventuellement des maladies ou même la mort.

Il y a une grande différence dans l'ampleur des effets biologiques entre les rayonnements non ionisants (par exemple, la lumière et les micro-ondes) et les rayonnements ionisants, des émissions suffisamment énergétiques pour faire sortir les électrons des molécules (par exemple, les particules α et β, les rayons γ, les rayons X et les rayons ultraviolets de haute énergie).

L'énergie absorbée à partir des rayonnements non ionisants accélère le mouvement des atomes et des molécules, ce qui équivaut à chauffer l'échantillon. Bien que les systèmes biologiques soient sensibles à la chaleur, une grande quantité de rayonnements non ionisants est nécessaire avant que des niveaux dangereux ne soient atteints. Les rayonnements ionisants, cependant, peuvent causer des dommages beaucoup plus graves en brisant les liaisons ou en supprimant des électrons dans les molécules biologiques, ce qui perturbe leur structure et leur fonction. Les dommages peuvent également être causés indirectement, par l'ionisation d'abord de H₂O, qui forme un ion H₂O⁺ qui réagit avec l'eau, formant un ion hydronium et un radical hydroxyle.

Comme le radical hydroxyle a un électron non apparié, il est très réactif. Ce radical hydroxyle peut réagir avec toutes sortes de molécules biologiques (ADN, protéines, enzymes, etc.), endommageant les molécules et perturbant les processus physiologiques.

L'énergie délivrée aux tissus par chaque type de rayonnement est différente et elle est mesurée en termes de dose absorbée, dont l'unité SI est le gray. Le dépôt d'un joule d'énergie dans un kilogramme de matériau correspond à un gray. L'unité CGS, qui est le rad, est également largement utilisée (1 rad = 0,01 Gy).

La réponse biologique à la dose absorbée de chaque type de rayonnement est décrite par un facteur de pondération du rayonnement, qui dépend de la puissance d'ionisation et de la capacité de pénétration. La dose absorbée multipliée par le facteur de pondération de la radiation est appelée dose équivalente, mesurée en sievert en unités SI. L'unité CGS, qui est le rem, est également largement utilisée (1 rem = 0,01 SV).

Émissions nucléaires	Facteur de pondération des rayonnements.
Rayons X, gamma.	1
Particules bêta	1
Particules alpha	20
Neutrons (énergie inconnue)	10
Neutrons (rapides)	11
Neutrons (thermiques)	2

Tableau 1. Facteurs de pondération des radiations.

Les différents tissus corporels ont des sensibilités différentes aux rayonnements ionisants. Si l'exposition est concentrée dans une zone du corps ou si la dose équivalente n'est pas la même dans l'ensemble du corps, des facteurs de pondération tissulaire sont utilisés pour déterminer les dommages corporels globaux en raison de la dose inégale. La dose efficace pour le corps est calculée en additionnant les doses équivalentes pondérées pour tous les organes.

Plusieurs dispositifs différents sont utilisés pour détecter et mesurer le rayonnement, notamment les compteurs Geiger–;Müller (GM), les compteurs à scintillation et les dosimètres de rayonnement. Un compteur Geiger–Müller comporte deux parties : un tube cylindrique rempli d'un gaz inerte comme l'argon ou l'hélium et un compteur. Dans le tube se trouve une paire d'électrodes à haute tension. Tout rayonnement ionisant démarre une cascade d'ionisations des molécules de gaz, créant un courant entre l'anode et la cathode en raison du flux d'électrons, qui est recueilli, amplifié, affiché par le compteur sous forme de coups par minute ou de désintégrations par seconde. Les compteurs GM ne peuvent pas faire la différence entre les types de rayonnement, mais les variantes à compensation d'énergie peuvent mesurer la dose et peuvent donc être utilisés comme dosimètres personnels. Un compteur de scintillation contient un scintillateur, un matériau qui émet de la lumière lorsqu'il est excité par des rayonnements ionisants, et un capteur qui convertit la lumière en signal électrique. Les dosimètres de rayonnement mesurent également le rayonnement ionisant et sont souvent utilisés pour déterminer l'exposition personnelle au rayonnement. Les types les plus couramment utilisés sont les dosimètres personnels électroniques, les dosimètres à film, les dosimètres thermoluminescents et les dosimètres à fibre de quartz.

Les effets du rayonnement dépendent du type, de l'énergie et de l'emplacement de la source de rayonnement, ainsi que de la durée d'exposition. Une personne ordinaire est exposée au rayonnement de fond, y compris les rayons cosmiques du soleil et le radon provenant de l'uranium dans le sol, le rayonnement de l'exposition médicale, y compris les CAT-scans, les tests de radio-isotopes, les rayons X, etc. ; et de petites quantités de rayonnement provenant d'autres activités humaines, comme les vols en avion (qui sont bombardés par un nombre accru de rayons cosmiques dans la haute atmosphère), la radioactivité des produits de consommation et diverses radionucléides qui entrent dans notre corps lorsque nous respirons (par exemple, le carbone 14) ou à partir de la chaîne alimentaire (par exemple, le potassium 40, le strontium 90 et l'iode 131).

Une dose à court terme et soudaine d'une grande quantité de rayonnement peut entraîner un large éventail d'effets sur la santé, allant de changements dans la chimie du sang à la mort. Une exposition de courte durée à des dizaines de rems de rayonnement causera probablement des symptômes très visibles ou une maladie ; une dose aiguë de 500 rems ou 5 Sv est estimée avoir une probabilité de 50 % de causer la mort de la victime dans les 30 jours suivant l'exposition. L’exposition aux émissions radioactives a un effet cumulatif sur le corps pendant la vie d’une personne, ce qui est une autre raison pour laquelle il est important d’éviter toute exposition inutile aux rayonnements.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 21.6 : Effets biologiques des rayonnements.