La plupart des atomes dans la nature sont stables, certains
ne le sont pas, on dit qu'ils sont instables ou radioactifs ; ils
possèdent plus ou moins de nucléons, plus ou moins
d'électrons et donc plus ou moins d'énergies. Mais la Nature veut
atteindre le grand équilibre, pour cela les atomes "instables" ont
tendance à expulser les éléments en trop :
? Soit par l'émission de deux protons et deux neutrons
par le noyau (radioactivité alpha), cas de l'Hélium.
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? Soit par la transformation d'un neutron en un proton dans
le noyau avec émission d'un électron (radioactivité
bêta) ou d'un proton en un neutron avec émission d'un positon (cas
d'une fission).
Figure 13 : Illustration du
principe physique du rayonnement Gamma (Source : Le journal CEA/Saclay
09/2001)
La radiométrie par spectrométrie gamma se fait
en mesurant la radioactivité naturelle afin de déterminer les
teneurs du sol en potassium (K), uranium (U) et thorium (Th),
éléments radioactifs naturels présents à
l'état de traces dans les formations géologiques et leurs
altérites en surface. La réponse radiométrique donne
accès à une signature géochimique simplifiée mais
souvent suffisante pour aider à caractériser les roches et
parfois pour identifier la nature du substrat géologique.
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Le rayonnement gamma, qui suit généralement une
émission alpha ou bêta, est issu du noyau de l'atome et correspond
à une désexcitation de ce dernier. En effet, après une
désintégration alpha ou bêta, le nouveau noyau n'est pas
toujours dans un état d'équilibre énergétique: il
possède encore "un trop plein d'énergie", on dit qu'il est
excité. Pour se débarrasser de cet excédent, il va
émettre un ou plusieurs rayonnements gamma d'énergie
déterminée et caractéristique du noyau et donc de l'atome
en présence. C'est en quelque sorte la signature du
radioélément (Le journal-CEA/Saclay 09/2001). De par
cette signature, caractérisée par le nombre de
désintégrations de noyaux radioactifs par seconde, qui se
produisent en son sein, on entreprend et une analyse qualitative et une analyse
quantitative des spectres qui en découlent. L'unité
d'activité est le becquerel, de symbole Bq. 1 Bq= 1
désintégration par seconde. On distingue également le Gray
(Gy), le Sievert (Sv). Mais en géologie ou physique nucléaire,
les concentrations des radioéléments dans les roches, air et eau
sont exprimées selon les unités suivantes :
? Concentrations massique de K en pourcentage (%K)
? Concentration massique de U en ppm (partie par million de
U)
? Concentration massique de Th en ppm (partie par million du
Thorium)
Les concentrations typiques de la croûte terrestre en
K, U et Th sont respectivement de 2 à 2,5% pour le potassium, de 2
à 3 ppm pour l'uranium et de 8 à 12 ppm pour le thorium. Le 40K
est l'isotope radioactif du potassium et sa proportion de 0,012% du potassium
total est constante dans la nature. Ceci permet une détermination
directe des concentrations en K connaissant l'activité du 40K. À
l'opposé, les deux isotopes de l'uranium 238U et 235U ne produisent pas
directement de rayonnements gammas ce qui nécessite une estimation de
concentration basée sur l'activité d'isotopes fils
émetteurs de rayonnement gamma (IAEA, 2003). Pour l'uranium, le
214Bi et le 214Pb sont utilisés pour estimer une concentration
équivalente en uranium (eU). Cette concentration
équivalente suppose à priori une désintégration
à l'équilibre de l'uranium. Sachant que l'uranium se
déstabilise en radionucléides secondaires comme le radon
(gazeux), cet apriori est parfois faux ce qui peut fausser les résultats
de données radiométriques. Tout comme l'uranium, les
concentrations en 232Th sont estimées indirectement en mesurant
l'activité du 208Tl qui est un émetteur de rayonnement gamma.
Toutefois, dans la nature, la chaîne de décroissance du thorium
est presque tout le temps à l'équilibre ce qui se traduit par des
valeurs de eTh plus robustes.
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Les spectromètres enregistrent le rayonnement
gamma dans un large domaine spectral compris entre 0 et 3 MeV. Le K est
normalement mesuré dans une fenêtre de 1,37 à 1,57 MeV,
l'uranium entre 1,66 et 1 ,86 MeV et le thorium entre 2,41 et
2,81 MeV (IAEA, 2003).
Radionucléides et intervalle d'acquisition du
spectre gamma utilisés pour l'estimation des concentrations en K, e
U et eTh.
Élément Radionucléide
Intervalle
K --> 40K (1,46 MeV) 1,37 à 1,57
MeV
eU --> 214Bi (1,765 MeV) 1,66 à 1,86
MeV
eTh --> 208Tl (2,614 MeV) 2,41 à 2,81
MeV
La collection de ces charges aux bornes du
détecteur génère des impulsions électriques
d'amplitude proportionnelle à l'énergie des électrons
primai res mis en mouvement ; l'ensemble de
ces informations constitue le spectre en énergie qui se
caractérise en particulier par les pics d'absorption totale
correspondant à l'absorption de toute l'énergie
incidente, par un seul effet photoélectrique ou par une
succession d'effets ; ce processus va donc aboutir à la
détermination des différents éléments
recherchés.
Quelques conversions
1% K in rock = 313 Bq/kg 40K
1 ppm U in rock = 12.35 Bq/kg 238U, or 226Ra
1 ppm Th in rock = 4.06Bq/kg 232Th
1 ppm=1g/t et 1%= 10 000 ppm
Les différents types de rayonnements
ionisants
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Figure 14: Les 3 types de rayonnements ionisants
et leur interaction avec la matière (Sources Wikipedia)
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Tableau II: Exposition humaine
à la Radioactivité selon l'OMS.
