Pictogramme signalant un risque d'irradiation. (☢)

La maison de Georges Cuvier, au Jardin des plantes de Paris, où Henri Becquerel découvrit la radioactivité en 1896

« Poudre Tho-Radia, à base de radium et thorium, selon la formule du D Alfred Curie... ».

La radioactivité, phénomène physique naturel qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le radium, au cours duquel des noyaux atomiques instables, dits radioisotopes, se transforment spontanément par désintégration, simple ou en chaîne, en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements ionisants, en des noyaux atomiques plus stables ayant perdu une partie de leur masse. Les rayonnements ainsi émis sont appelés, selon le cas, des particules ("rayons") α, des particules ("rayons") β ou des rayons γ.

Les rayonnements α, β et γ produits par la radioactivité sont des rayonnements ionisants qui interagissent avec la matière en provoquant une ionisation.

L'irradiation d'un organisme vivant entraîne des effets qui peuvent être plus ou moins néfastes pour sa santé, selon les doses de radiation reçues, la durée d'exposition (aiguë ou chronique) et le type de rayonnement concerné. Elle peut être associée à une contamination radioactive surfacique (fixée ou non fixée), ou volumique (appelée aussi atmosphérique). Lors d'usages technologiques de la radioactivité, elle oblige à des mesures de prévention, de protection et de contrôle.

Histoire

La radioactivité fut découverte en 1896 par Henri Becquerel (1852-1908), lors de ses travaux sur la phosphorescence : les matières phosphorescentes émettent de la lumière dans le noir après expositions à la lumière, et Becquerel supposait que la lueur qui se produit dans les tubes cathodiques exposés aux rayons X pouvait être liée au phénomène de phosphorescence. Son expérience consistait à sceller une plaque photographique dans du papier noir et mettre ce paquet en contact avec différents matériaux phosphorescents. Tous ses résultats d'expérience furent négatifs, à l'exception de ceux faisant intervenir des sels d'uranium, lesquels impressionnaient la plaque photographique à travers la couche de papier. Cependant, il apparut bientôt que l'impression de l'émulsion photographique n'avait rien à voir avec le phénomène de phosphorescence, car l'impression se faisait même lorsque l'uranium n'avait pas été exposé à la lumière au préalable. Par ailleurs, tous les composés d'uranium impressionnaient la plaque, y compris les sels d'uranium non phosphorescents et l'uranium métallique. À première vue, ce nouveau rayonnement était semblable au rayonnement X, découvert l'année précédente (en 1895) par le physicien allemand Wilhelm Röntgen (1845-1923). Des études ultérieures menées par Becquerel lui-même, ainsi que par Marie Curie (1867-1934) et Pierre Curie (1859-1906), ou encore par Ernest Rutherford (1871-1937), montrèrent que la radioactivité est nettement plus complexe que le rayonnement X. En particulier, ils découvrirent qu'un champ électrique ou magnétique séparait les rayonnements « uraniques » en trois faisceaux distincts, qu'ils baptisèrent α, β et γ. La direction de la déviation des faisceaux montrait que les particules α étaient chargées positivement, les β négativement, et que les rayonnements γ étaient neutres. En outre, la magnitude de la déflexion indiquait nettement que les particules α étaient bien plus massives que les β.

Section polie de pechblende

Papier photographique impressionné par le rayonnement de la pechblende (reproduction de l'expérience de Becquerel)

En faisant passer les rayons α dans un tube à décharge et en étudiant les raies spectrales ainsi produites, on pouvait conclure que le rayonnement α est constitué d'hélions, autrement dit de noyaux d'hélium (He). D'autres expériences permettaient d'établir que les rayons β sont composés d'électrons comme les particules dans un tube cathodique, et que les rayons γ sont, tout comme les rayons X, des photons très énergétiques. Par la suite, on découvrit que de nombreux autres éléments chimiques ont des isotopes radioactifs. Ainsi, en traitant des tonnes de pechblende, une roche uranifère, Marie Curie réussit à isoler quelques milligrammes de radium dont les propriétés chimiques sont tout à fait similaires à celles du baryum (ces deux éléments chimiques sont des métaux alcalino-terreux), mais qu'on arrive à distinguer à cause de la radioactivité du radium.

Les dangers de la radioactivité pour la santé ne furent pas immédiatement reconnus. Ainsi, Nikola Tesla (1856-1943), en soumettant volontairement en 1896 ses propres doigts à une irradiation par des rayons X, constata que les effets aigus de cette irradiation étaient des brûlures qu'il attribua, dans une publication, à la présence d'ozone. D'autre part, les effets mutagènes des radiations, en particulier les risques de cancer, ne furent découverts qu'en 1927 par Hermann Joseph Muller (1890-1967). Avant que les effets biologiques des radiations ne soient connus, des médecins et des sociétés attribuaient aux matières radioactives des propriétés thérapeutiques : le radium, en particulier, était populaire comme tonifiant, et fut prescrit sous forme d'amulettes ou de pastilles. Marie Curie s'est élevée contre cette mode, arguant que les effets des radiations sur le corps n'étaient pas encore bien compris. Durant les années 1930, les nombreuses morts qui ont semblé pouvoir être reliées à l'utilisation de produits contenant du radium ont fait passer cette mode.

Diversité des radioisotopes

Les radioisotopes les plus fréquents dans les roches terrestres sont l'isotope 238 de l'uranium (U), l'isotope 232 du thorium (Th), et surtout l'isotope 40 du potassium (K). Outre ces isotopes radioactifs naturels encore relativement abondants, il existe dans la nature des isotopes radioactifs nettement plus rares. Il s'agit notamment des éléments instables produits lors de la suite de désintégrations des isotopes mentionnés, par exemple de divers isotopes du radium et du radon.

Un des radioisotopes naturels les plus utilisés par l'homme est l'isotope 235 de l'uranium (U) qui se trouve dans la nature en faible proportion (<1 %) associé à l'isotope U, mais dont on modifie la proportion par des techniques d'enrichissement de l'uranium pour qu'il puisse servir de combustible pour la production d'énergie nucléaire et d'explosif pour la production de bombes atomiques.

Un autre radioisotope naturel est le radiocarbone, c'est-à-dire l'isotope 14 du carbone (C). Ce dernier est constamment produit dans la haute atmosphère par des rayons cosmiques interagissant avec l'azote, et se détruit par désintégrations radioactives à peu près au même taux qu'il est produit, de sorte qu'il se produit un équilibre dynamique qui fait que la concentration du C reste plus ou moins constante au cours du temps dans l'air et dans les organismes vivants qui l'ingèrent (photosynthèse, nutrition...). Une fois l'organisme mort, la concentration en C diminue dans ses tissus, et permet de dater le moment de la mort. Cette datation au radiocarbone est un outil de recherche très prisé en archéologie et permet de dater avec une bonne précision des objets organiques dont l'âge ne dépasse pas 50 000 ans.

Transformations nucléaires

La « désintégration » (en physique, elle correspond à la transformation de la matière en énergie) d'un noyau radioactif peut entraîner l'émission de rayonnement α, β ou β. Ces désintégrations sont souvent accompagnées de l'émission de photons de haute énergie ou rayons gamma, dont les longueurs d'onde sont généralement encore plus courtes que celles des rayons X, étant de l'ordre de 10 m ou inférieures. Cette émission gamma (γ) résulte de l'émission de photons lors de transitions nucléaires : du réarrangement des charges internes du noyau nouvellement formé, ou bien de la couche profonde du cortège électronique perturbé, à partir de niveaux d'énergie excités avec des énergies mises en jeu de l'ordre du MeV.

Atomes et noyaux radioactifs

Comme tous les atomes, un atome radioactif est composé d'un noyau lui-même composé de nucléons : neutrons et protons et d'un cortège d'électrons circulants à bonne distance du noyau en nombre égal à celui des protons. L'atome radioactif est équilibré en charge électrique.

Un atome radioactif contient un noyau instable dont le nombre de nucléons ou la composition relative en protons et neutrons ne correspond pas à une situation stable. Le noyau de l'atome radioactif cherche à rallier la configuration stable la plus proche de sa composition en émettant des particules.

Situations d'instabilité du noyau d'un atome radioactif

Par rapport au noyau de l'atome stable le plus voisin, le noyau de l'atome radioactif peut se trouver dans l'une des trois situations suivantes :

en excès de nucléons

en excès de neutrons

en excès de protons

Si le noyau est en excès de nucléons, il émet des particules alpha, c'est-à-dire un groupe de 4 nucléons = 2 neutrons + 2 protons. Au cours de son transit vers l'extérieur de l'atome au travers du cortège électronique la particule alpha chargée positivement capte (ou non) deux électrons. Si cela n'a pas été le cas elle capte deux électrons auprès des atomes voisins et les deux électrons excédentaires de l'atome initial compensent le bilan électrique total qui reste neutre. C'est le rayonnement alpha. L'énergie du rayonnement est majoritairement constituée par l'énergie cinétique de la particule alpha qui est une particule massive, sachant que dans l'expulsion de cette particule la quantité de mouvement est également conservée, une énergie cinétique non négligeable est communiquée au reste du noyau en désintégration.

Si le noyau est en excès de neutrons, il transforme un neutron en proton et émet un électron ; cet électron chargé négativement traverse le cortège électronique de l'atome et continue sa route. C'est le rayonnement bêta. Cette façon de faire est plus « économique » que celle consistant à émettre un neutron, puisqu'on gagne sur les deux plateaux de la balance pour rallier la proportion stable neutron/proton. Le bilan électrique global reste équilibré puisque la charge négative de l'électron émis est compensée par la charge positive augmentée du noyau. L'énergie du rayonnement est constituée par l'énergie cinétique de l'électron expulsé dont la masse est faible devant celle du noyau en désintégration et par un rayonnement électromagnétique associé au réarrangement du cortège électronique autour du noyau désintégré.

Si le noyau est en excès de protons, de façon similaire à l'excès de neutrons, il transforme un proton en neutron en émettant un positron (un anti-électron). Au cours de son transit vers l'extérieur le positron finit par interagir avec un électron, provoquant l'annihilation du couple électron positron en une paire de photons γ. C'est un exemple de rayonnement électromagnétique pur.

Cas rarissimes

En cas rarissime de « super-excès » de neutrons le noyau peut émettre directement des neutrons (particule non chargée donc capable de traverser le cortège électronique) comme typique les fragments de fission émetteurs de neutrons retardés.

Rayonnement électromagnétique

Les transmutations ci-dessus s'accompagnent généralement d'un réarrangement du cortège électronique qui se traduit par l'émission par l'atome d'un rayonnement électromagnétique (des photons) d'énergie variable.

Situation stable - Vallée de stabilité

La situation stable des noyaux des atomes peut se définir de façon simple de la façon suivante :

d'une part la proportion de neutrons et protons = N/Z ne s'écarte pas fortement d'une valeur dépendant du nombre total de nucléons A dans les conditions suivantes : si A ≤ 45, N/Z = 1 si A > 45, N/Z = 1,8 - 50,4/(A + 18) ; par exemple pour A = 90, N/Z = 1,33 ; pour A = 206, N/Z = 1,575

si A ≤ 45, N/Z = 1

si A > 45, N/Z = 1,8 - 50,4/(A + 18) ; par exemple pour A = 90, N/Z = 1,33 ; pour A = 206, N/Z = 1,575

d'autre part le nombre total de nucléons n'excède pas 208.

Particules émises par les corps radioactifs

Les corps radioactifs dont la période est supérieure à quelques minutes :

n'émettent aucun neutron ni proton qui sont pourtant les nucléons de base constitutifs des noyaux des atomes ;

mais uniquement en termes de particules des électrons ou des particules alpha (4 nucléons) ;

accompagnés d'un rayonnement électromagnétique s'il y a réarrangement concomitant du cortège électronique autour du noyau.

Un corps radioactif peut voir son nombre de nucléons changer/diminuer uniquement par groupe de 4 nucléons (deux protons + 2 neutrons) en émettant une particule alpha (un noyau d'hélium).

Par exemple, les produits de fission radioactifs se trouvent tous en excès de neutrons immédiatement après leur naissance par fission. Quelques minutes après l'instant de la fission, ils sont tous devenus des corps radioactifs qui rallient la stabilité :

sans modification de leur nombre initial total de nucléons ;

uniquement en émettant des électrons et en transformant par le fait leurs neutrons excédentaires en protons ;

ceci accompagné éventuellement d'un rayonnement électromagnétique.

Transformations isobariques

Une transformation isobarique correspond à la transmutation d'un noyau avec la conservation du nombre de masse A. La transformation isobarique est le cas le plus courant de radioactivité bêta et gamma. Les seules transmutations non isobariques s'effectuent par groupe de 4 nucléons ; c'est le rayonnement alpha. Seul dans le cas rarissime des fragments de fission émetteurs de neutrons retardés, un noyau pourtant composé de protons et de neutrons ne peut perdre de nucléons en émettant des protons ou des neutrons. Un noyau ne peut perdre des nucléons que par groupe de quatre en émettant une particule alpha donc un noyau d'hélium.

Émissions bêta

Émission bêta moins

Émission d'une particule β (électron), fortement ionisante.

La radioactivité bêta moins (β) affecte les nucléides X présentant un excès de neutrons. Elle se manifeste lors de réactions isobariques par la transformation dans le noyau d'un neutron en proton, le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un électron (ou particule bêta moins) et d'un antineutrino électronique νe :

À l'intérieur du noyau, un neutron se transforme (la radioactivité β- concerne en effet les noyaux trop riches en neutrons)

Émission bêta plus

La radioactivité bêta plus (β) ne concerne que les nucléides présentant un excès de protons. Elle se manifeste par la transformation dans le noyau d'un proton en neutron, le phénomène s'accompagnant de l'émission d'un positron (ou positon, encore appelé particule bêta plus = antiélectron) et d'un neutrino électronique νe :

L'émission d'un rayonnement β par un noyau n'est possible que si l'énergie disponible est supérieure à 1,022 MeV. Car le bilan énergétique, qui est la différence entre l'énergie initiale et l'énergie finale donne : , où est négligeable, puisque de l'ordre de quelques eV.

, avec et les énergies des atomes X et Y.

.
La réaction n'est donc possible que si c'est-à-dire que si .

Capture électronique

La capture électronique (ε) ne concerne que des nucléides qui présentent un excès de protons et dont l'énergie disponible (dans la réaction potentielle) n'est pas nulle.

Émission alpha

Émission d'une particule alpha (noyau d'hélium), très fortement ionisante.

On parle de radioactivité alpha (α) pour désigner l'émission d'un noyau d'hélium ou hélion :

.

Ces hélions, encore appelés particules alpha, ont une charge 2e, et une masse de 4,001 505 8 unités de masse atomique.

Loi de désintégration radioactive

Un radioisotope quelconque a autant de chances de se désintégrer à un moment donné qu'un autre radioisotope de la même espèce, et la désintégration ne dépend pas des conditions physico-chimiques dans lesquelles le nucléide se trouve. En d'autres termes, la loi de désintégration radioactive est une loi statistique.

Soit N(t) le nombre de radionucléides d'une espèce donnée présents dans un échantillon à un instant t quelconque. Comme la probabilité de désintégration d'un quelconque de ces radionucléides ne dépend pas de la présence des autres espèces de radionucléides ni du milieu environnant, le nombre total de désintégrations dN pendant un intervalle de temps dt à l'instant t est proportionnel au nombre de radionucléides de même espèce N présents et à la durée dt de cet intervalle : c'est une loi de décroissance exponentielle. On a en effet :

.

Le signe moins (–) vient de ce que N diminue au cours du temps, de sorte que la constante λ est positive.

En intégrant l'équation différentielle précédente, on trouve le nombre N(t) de radionucléides présents dans le corps à un instant t quelconque, sachant qu'à un instant donné t = 0 il y en avait N₀ :

.

Le temps de demi-vie est la durée à laquelle la moitié d'un échantillon radioactif est désintégré, le nombre de noyaux fils y atteignant le nombre de noyaux pères. Dans ce cas, on a

Interaction entre les rayonnements et la matière

Pouvoir de pénétration (exposition externe). Les particules α sont arrêtées par une feuille de papier. Les particules β sont arrêtées par une feuille d'aluminium. Le rayonnement γ est atténué (mais jamais arrêté) par de grandes épaisseurs de matériaux denses (écran en plomb, par exemple).

Les rayonnements ionisants provoquent tous au sein de la matière des ionisations et des excitations. La façon dont se produisent ces ionisations dépend du type de rayonnement considéré :

rayonnement α : un noyau atomique instable émet une particule lourde chargée positivement constituée de deux protons et de deux neutrons (noyau d'hélium 4). En traversant la matière, cette particule interagit principalement avec le cortège électronique des atomes du matériau traversé, ce qui les excite ou les ionise. Ce mécanisme se produit sur une très courte distance car la section efficace d'interaction est élevée : le pouvoir de pénétration des rayonnements alpha est faible (une simple feuille de papier ou 4 à 5 cm d'air les arrêtent totalement) et par conséquent le dépôt d'énergie par unité de longueur traversée sera élevé. Cette énergie dissipée dans la matière traversée se traduira par des excitations et des ionisations et donne lieu à des rayonnements secondaires.

rayonnement β- : un noyau atomique instable émet une particule légère et chargée négativement (un électron) qu'une feuille d'aluminium peut arrêter. Cependant ce rayonnement interagit avec la matière en provoquant des excitations et des ionisations par diffusion. Le parcours des électrons dans la matière est plus important que celui des particules alpha (de l'ordre de quelques mètres maximum dans l'air). La perte d'énergie du rayonnement bêta par unité de longueur traversée sera, toute autre chose étant égale, moindre que celle du rayonnement alpha. Il en sera donc de même du nombre d'excitation et d'ionisation produite par unité de longueur. Dans certains cas (électron de forte énergie et matériau traversé de masse atomique élevée) l'émission d'un rayonnement de freinage électromagnétique est possible.

rayonnement β+ : un noyau atomique instable émet une particule légère et chargée positivement (un positron) qui interagit, après avoir été ralenti, avec un électron du milieu provoquant son annihilation et la production de deux rayons gamma de 511 keV chacun.

rayonnement γ : un noyau atomique qui ne souffre pas d'un déséquilibre baryonique, mais qui se trouve dans un état d'énergie instable, émet un photon très énergétique, donc très pénétrant, pour atteindre un état d'énergie stable ; il faut environ 1 à 5 centimètres de plomb pour l'absorber. Il n'y a guère de différence entre les rayons X durs et le rayonnement γ — seul leur origine les différencie. En général, l'émission de rayons γ suit une désintégration α ou β, car elle correspond à un réarrangement des nucléons, et notamment à une réorganisation de la charge électrique à l'intérieur du nouveau noyau. On rencontre donc fréquemment un noyau radioactif émettant simultanément plusieurs types de rayonnements : par exemple, l'isotope 239 du plutonium (Pu) est un émetteur α–γ, l'isotope 59 du fer (Fe) est un émetteur β–γ. Le rayonnement gamma est un faisceau de photons sans charge électrique ni masse. En traversant la matière, il provoque trois types d'interactions : l'effet photoélectrique ; la création de paires ; l'effet Compton.

l'effet photoélectrique ;

la création de paires ;

l'effet Compton.

Ces mécanismes produiront, in fine, des excitations et ionisations dans le matériau traversé. Le rayonnement gamma et les neutrons ont un fort pouvoir de pénétration dans la matière, plusieurs décimètres de béton pour le rayonnement γ ; un écran en plomb d'une épaisseur de 50 mm arrête 90 % du rayonnement γ ("écran dixième").

Rayonnement neutronique : la fission nucléaire et la fusion nucléaire produisent des neutrons en quantités importantes. Ces neutrons se diffusent dans l'environnement du réacteur. Ils nécessitent des protections neutroniques et des compteurs dosimétriques spécialisés.

La nature des lois physiques permettant de calculer les parcours ou l'atténuation des rayonnements dans la matière est différente selon les rayonnements considérés :

les rayonnements gamma et les flux neutroniques ne sont jamais complètement arrêtés par la matière. C'est pourquoi le flux de photons émergeant d'un écran sera faible, voire quasi-indétectable, mais jamais nul. Voir Couche de demi-atténuation ;

les lois physiques qui traduisent le parcours des rayonnements alpha et bêta montrent qu'au-delà d'une certaine distance, il est impossible que des particules puissent être retrouvées : le rayonnement incident peut donc être complètement bloqué par un matériau qui joue le rôle d'écran. Voir Parcours d'une particule.

Mesure de la radioactivité (grandeurs et unités)

Grandeurs objectives

Ces grandeurs objectives sont mesurables à l'aide d'appareils de physique (compteurs, calorimètres, horloges).

L'activité d'une source radioactive se mesure en becquerels (Bq), unité correspondant au nombre de désintégrations par seconde, nommée en hommage à Henri Becquerel. On utilise quelquefois (en biologie par exemple) le nombre de désintégrations par minute.

L'activité massique ou volumique est plus souvent utilisée. Elle correspond à l'activité rapportée à la masse (Bq/kg) ou au volume de l'échantillon mesuré (Bq/L ou Bq/m).

Le curie (Ci) était autrefois utilisé : il se définit comme l'activité d'un gramme de radium, soit 37×10 désintégrations par seconde, soit 37 Bq = 1 nCi.

Le coulomb par kilogramme (C/kg) peut également être utilisé : il mesure l'exposition aux rayonnements X et gamma (la charge d'ions libérée dans la masse d'air). L'ancienne unité équivalente était le Röntgen qui correspond au nombre d'ionisations par kilogramme d'air.

Pour le radon, l'énergie alpha potentielle volumique (EAPV) peut être mesurée en joules par mètre cube (J/m). Cela correspond à l'énergie des particules alpha émises dans un certain volume par les descendants du radon.

Conversion des différentes unités objectives :

1 Ci ≈ 37×10 Bq = 37 GBq = 3,7×10 Bq 1 Bq = 27×10 Ci = 27 pCi = 2,7×10 Ci

Grandeurs subjectives

Ce sont des grandeurs non mesurables directement. Elles sont estimées à partir de mesures et de coefficients de pondération définis par la CIPR.

La dose absorbée par la cible est définie comme l'énergie reçue par unité de masse de la cible, en joules par kilogramme, c'est-à-dire en grays (Gy) dans le système SI. L'ancienne unité était le rad. 1 Gy = 100 rad. On définit également un débit de dose, c'est-à-dire l'énergie absorbée par kilogramme et par unité de temps, mesurée en grays par seconde (Gy/s).

La dose équivalente, H, pour laquelle chaque rayonnement doit être pondéré pour tenir compte de sa nocivité respective. L'unité du Système International (SI) est le sievert (Sv). Lorsque le rad était utilisé comme unité de dose absorbée, l'unité de dose équivalente était le rem, acronyme de « röntgen equivalent man ».

La dose efficace, E, est la somme pondérée des doses équivalentes aux organes et tissus T irradiés. Elle rend compte du risque d'apparition de cancer. L'unité utilisée est également le sievert.

Chiffres à considérer avec précaution (non sourcés) :

Le facteur de risque d'induction de cancer est estimé à 4 % par Sv pour une population de travailleurs et à 5 % par Sv pour la population en général. À titre d'exemple, les personnes vivant en Europe occidentale reçoivent une dose annuelle naturelle de 3 mSv dont la moitié est due au radon.

L'équivalent de dose ambiant, H*(10), est une grandeur opérationnelle exprimée en mSv. C'est une mesure approchante de la dose efficace externe, utilisée pour les mesures de l'environnement.

L'équivalent de dose individuel, Hp.2810), est une grandeur opérationnelle exprimée en mSv. C'est une mesure approchante de la dose efficace externe, utilisée pour les mesures de l'exposition des personnes aux radiations ionisantes dans le cadre de leur profession.

Conversion des différentes unités subjectives :

1 rad = 0,01 Gy

1 Gy = 100 rad

1 rem = 0,01 Sv = 10 mSv

1 Sv = 100 rem

Les réseaux de mesures

Des réseaux de mesures (plus ou moins organisés, complets et accessibles au public, selon les pays) couvrent une partie du territoire de nombreux pays, pour mesurer les variations de radioactivité dans l'eau, l'air, la flore, la faune (domestique ou sauvage, dont espèces-gibier), les aliments, etc. En France, depuis février 2010, l'ASN a réuni l'essentiel de ces réseaux (l'équivalent d'environ 15 000 mesures mensuelles depuis début 2009) en un seul portail, le Réseau national de mesures de la radioactivité de l'environnement, « ...de manière à faciliter l'accès (...) aux résultats des mesures tout en renforçant l’harmonisation et la qualité des mesures effectuées par les laboratoires ». Un site Internet du Réseau national de mesure de la radioactivité dans l’environnement (RNM), est également ouvert depuis le 1 janvier 2010, notamment alimenté par l'IRSN.

Origines de la radioactivité

Nature de la source Exposition humaine à la radioactivité selon l'OMS mSv par personne et par an Radioactivité naturelle en % Radioactivité artificielle en % Radon (gaz radioactif naturel dense souvent présent dans les rez-de-chaussées) 1,3 42 % Irradiation d'origine médicale (radiographies, scanners, radiothérapies, etc.) 0,6 20 % Éléments absorbés par alimentation (essentiellement du potassium 40 contenu naturellement dans les aliments) 0,5 16 % Rayonnement cosmique 0,4 13 % Rayonnement interne 0,2 6 % Autres origines artificielles sauf énergie nucléaire civile (industries minières diverses, retombées atmosphériques des essais nucléaires militaires, instruments de mesure, certaines méthodes de mesure industrielles (telles le contrôle de soudures par gammagraphie), etc.) 0,1 3 % Énergie nucléaire civile 0,01 0,3 % Total 3,1 77 % 23 %

Selon une étude de Billon S. et Al, l'exposition naturelle à la radioactivité représenterait environ 2,5 mSv sur un total de 3,5. Cette dose peut varier de 1 à 40 mSv, selon l'environnement géologique et les matériaux d'habitation. Il existe aussi le rayonnement interne du corps : la radioactivité naturelle des atomes du corps humain se traduit par environ 8 000 désintégrations par seconde (8 000 Bq). Ce taux est principalement dû à la présence de carbone 14 et de potassium 40 dans notre organisme.

On parle de « radioactivité naturelle » pour désigner les sources non produites par les activités humaines, comme celle issue du radon, de la terre, ou du rayonnement cosmique. A contrario, on parle de « radioactivité artificielle » pour désigner la radioactivité due à des sources produites par les activités humaines : réalisation d'examens médicaux (tels les radiographies, tomodensitométries, scintigraphies, radiothérapies), éléments transuraniens synthétiques, concentrations artificiellement élevées de matières radioactives ou production artificielle de rayons gamma (dans un accélérateur de particules, par exemple). Physiquement, il s'agit exactement du même phénomène.

Radioactivité naturelle

La principale source de radioactivité est représentée par les radioisotopes existants dans la nature et produits lors des explosions des supernovas. On trouve des traces de ces éléments radioactifs et de leurs descendants dans tout notre environnement : un roc de granite contient des traces d'uranium qui, en se désintégrant, émettent du radon.

Les isotopes qui ont subsisté depuis la formation de notre système solaire sont ceux dont la période radioactive est très longue : pour l'essentiel, l'uranium et le thorium. Du fait de leur durée de vie très longue, leur activité massique est nécessairement très faible, et ces composés naturels ne constituent généralement pas un danger important en termes de radiotoxicité justifiant des mesures de radioprotection.

Le rayonnement tellurique dû aux radionucléides présents dans les roches (uranium, thorium et descendants) est d'environ 0,50 mSv par an en France. Il peut cependant être bien plus important dans certaines régions où la roche est très concentrée en uranium (régions granitiques telles la Forêt-Noire en Allemagne, la Bretagne et le Massif central en France) ou en thorium (région du Kérala en Inde).

Au rayonnement dû aux éléments de longue durée de vie s'ajoute celui des radioisotopes qui forment leur chaîne de désintégration. Ces éléments sont généralement à demi-vie beaucoup plus courte, mais de ce fait, ils ne sont présents qu'en quantité très faible : les lois de la décroissance radioactive font qu'à l'« équilibre séculaire », leur activité est la même que celle de l'élément père.

Parmi ces descendants il faut citer la présence d'un gaz radioactif dense : le radon. Du fait de sa volatilité, il est susceptible de migrer dans l'atmosphère et est ainsi responsable à lui seul de la plus grande part de l'exposition humaine moyenne à la radioactivité : 42 % du total. Il est issu de la décomposition de l'uranium naturellement contenu dans les sols. Dans les régions où la concentration en uranium dans la roche est élevée, il est souvent présent dans les habitations peu ventilées, ou construites sur des sols à fort dégagement de radon (rez-de-chaussée, maisons, caves). Il entraine alors une exposition interne conséquente à cause de ces descendants à période radioactive courte (dont fait notamment partie le polonium).

D'autre part, la Terre est en permanence soumise à un flux de particules primaires de haute énergie en provenance essentiellement de l'espace et (en bien moindre mesure) du Soleil : les rayons cosmiques. Le vent solaire, et le champ magnétique qu'il entraine, dévient une partie des rayons cosmiques « interstellaires » ; le champ magnétique terrestre (la ceinture de Van Allen) dévie la majeure partie de ceux approchant la Terre. L’atmosphère n'absorbant qu’une partie de ces particules de haute énergie, une fraction de celle-ci atteint le sol, voire pour les plus énergétiques, traverse les premières couches rocheuses.

La part due au rayonnement cosmique représente environ 32 nGy/h au niveau de la mer. Cette valeur varie en fonction de la latitude et de l'altitude, elle double à 1 500 m d'altitude.

Ce rayonnement extraterrestre, par un phénomène de spallation à partir des noyaux plus lourds présents dans la haute atmosphère, entraine la production de rayonnements et de particules ionisantes secondaires ou tertiaires (neutrons, électrons, alpha, ions, etc.). Ce phénomène est à l'origine, entre autres, de la production de radionucléides cosmiques sur notre planète tels le carbone 14 et le tritium. Ces isotopes ont une demi-vie beaucoup trop courte pour avoir été présents depuis la formation de la Terre, mais sont en permanence reconstitués.

Radioactivité artificielle

L'activité humaine est une autre source majeure de rayonnements ionisants. Principalement, pour 20 % du total des expositions humaines à la radioactivité, par les activités médicales : production de radionucléides par cyclotron (pour les scintigraphies et TEP par exemple). Le reste, représentant 3 % du total des expositions humaines, est produit, par ordre d'importance, par :

diverses industries minières, centrales au charbon ;

l'armée : retombées d'essais nucléaires, bombes nucléaires ;

l'énergie nucléaire civile (0,3 % du total des expositions) : émissions, fuites et production de déchets radioactifs ;

accidents : catastrophe nucléaire de Tchernobyl, Accident nucléaire de Fukushima ;

la recherche : recherche en physique des particules (par exemple au CERN en Suisse ou au GANIL en France).

C'est l'imagerie médicale au moyen de rayons X qui produit la plus grande part de l'exposition artificielle aux rayonnements ionisants. On ne parle cependant pas de radioactivité car les rayons X ne sont pas issus de réactions nucléaires mais d'excitation électronique de l'atome.

Radioprotection

Substance radioactive

Une substance radioactive doit être repérée par le symbole ☢ (Unicode 2622, UTF-8 E2 98 A2).

Une « substance radioactive » au sens réglementaire est une substance qui contient des radionucléides, naturels ou artificiels, dont l'activité ou la concentration justifie un contrôle de radioprotection.

En ce qui concerne les expositions planifiées à une source radiologique artificielle, un contrôle de radioprotection doit être établi dès lors que le débit de dose maximal susceptible d'être reçu par une personne présente est supérieur à 2.5 μSv/h. A contrario, si le débit de dose maximal subi est indiscutablement inférieur à cette valeur, la substance ou le produit ne relèvent pas de la législation sur la radioprotection, et ne justifient pas l'application des mesures de radioprotection correspondantes.

Gestion des risques sanitaires

Nouveau pictogramme lancé par l'AIEA, représentant un risque de danger de mort ou de dommages sérieux.

Les conséquences de la radioactivité sur la santé sont complexes. Le risque pour la santé dépend non seulement de l'intensité du rayonnement et la durée d'exposition, mais également du type de tissu concerné — les organes reproducteurs sont 20 fois plus sensibles que la peau (loi de Bergonié et Tribondeau ou loi de la radiosensitivité). Les effets sont différents selon le vecteur de la radioactivité :

exposition à des rayonnements ionisants par une source radioactive à distance ;

contamination radioactive si par exemple l'on ingère ou inhale un produit radioactif.

Les normes internationales, basées sur les conséquences épidémiologiques de l'explosion des bombes d'Hiroshima et Nagasaki, partent du principe que le risque pour la santé est proportionnel à la dose reçue et que toute dose de rayonnement comporte un risque cancérigène et génétique (CIPR 1990).

La réglementation pour la protection contre les radiations ionisantes est basée sur trois recommandations fondamentales :

justification : on ne doit adopter aucune pratique conduisant à une irradiation, à moins qu'elle ne produise un bénéfice suffisant pour les individus exposés ou pour la société, compensant le préjudice lié à cette irradiation ;

optimisation : l'irradiation doit être au niveau le plus bas que l'on peut raisonnablement atteindre ;

limitation de la dose et du risque individuels : aucun individu ne doit recevoir des doses d'irradiation supérieures aux limites maximum autorisées.

De récentes études de l'IRSN s'intéressent aux effets de la contamination radioactive chronique, qui même à des faibles doses, pourraient ne pas être négligeables, et pourraient provoquer différentes pathologies atteignant certaines fonctions physiologiques (système nerveux central, respiration, digestion, reproduction). Mais cette vision est contestée, et d'autres acteurs, dont notamment l'Académie de médecine, estiment au contraire que ces craintes sont inutiles.

Dose radiative

Le principe retenu en radioprotection est de maintenir l'exposition au niveau le plus bas qu'il est raisonnablement possible d'atteindre (principe ALARA). Pour faciliter cette optimisation, les sites français exposés aux radiations ionisantes sont organisés en zones dont l'accès est plus ou moins restreint. Ces zones sont délimitées par les débits de doses suivants :

zone bleue : d'environ 2,5 à 7,5 μSv⋅h ;

zone verte : de 7,5 à 25 μSv⋅h ;

zone jaune : de 25 μSv⋅h à 2 mSv⋅h ;

zone orange : de 2 à 100 mSv⋅h ;

zone rouge : > 100 mSv⋅h.

L'environnement naturel émet un rayonnement variant de 0,2 μSv⋅h à 1 μSv⋅h, avec une moyenne de 0' μSv⋅h (soit 2,4 mSv⋅an⋅habitant). Le débit de dose dont on est certain qu'il produit des effets biologiques dangereux se situe à partir de 1 mSv⋅h, c'est-à-dire en « zone jaune ». Les effets varient selon le temps auquel on y est soumis. Les effets statistiquement observables apparaissent pour des doses cumulées supérieures à 100 mSv, soit un stationnement de plus de 50 h (une semaine à plein temps) en zone jaune. Cette exposition peut être atteinte en 1 h en « zone orange ».

Dose équivalente

Relation entre dose absorbée, dose équivalente et dose efficace (CIPR)

La dose équivalente est la mesure de dose cumulée d'exposition continue aux radiations ionisantes durant une année, avec des facteurs de pondération. Jusqu'en 1992, les doses équivalentes n'étaient pas mesurées de la même façon en Europe et aux États-Unis ; aujourd'hui ces doses sont standardisées.

La dose cumulée d'une source radioactive artificielle devient dangereuse à partir de 500 mSv (ou 50 rem), dose à laquelle on constate les premiers symptômes d'altération sanguine. En 1992, la dose efficace (E) maximale pour une personne travaillant sous rayonnements ionisants était fixée à 15 mSv sur les 12 derniers mois en Europe (CERN et Angleterre) et à 50 mSv sur les 12 derniers mois aux États-Unis. Depuis août 2003, la dose efficace maximale est passée à 20 mSv sur les 12 derniers mois.

Lors d'un scanner médical, le patient peut par exemple recevoir une dose moyenne de 0,05 mSv (examen local), de 25 mSv (scanner du crâne) ou de 150 mSv (scanner du corps entier). Pour éviter tout symptôme d'altération sanguine, on se limite à un maximum de trois examens d'organe par an.

Radioprotection

Irradiation

En France, la dose annuelle d'origine artificielle autre que les applications médicales maximale est fixée à 20 mSv (2 rem) pour les travailleurs et à 1 mSv (0,1 rem) pour la population.

Les facteurs qui protègent des radiations sont :

Distance (la variation du débit de dose (DDD) est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source) ;

Activité (en centrale nucléaire, on effectue diverses opérations pour enlever les sources des conduits) ;

Temps (la dose est proportionnelle au temps ; rester le moins longtemps près de la source) ;

Écran (plomber, recouvrir d'acier, bétonner, immerger la source, par exemple).

Certains comportements sont susceptibles d'entraîner une surexposition à la radioactivité : un patient qui passe 5 radiographies aux rayons X peut subir une dose de 1 mSv ; les passagers et le personnel navigant des avions de ligne, ainsi que les astronautes en orbite, peuvent subir une dose voisine lors d'une éruption solaire très intense. S'ils répètent ces voyages ou effectuent des missions de longues durées, une exposition prolongée accroît le risque d'irradiation.

Alimentation

Le phénomène de radioactivité étant au départ mystérieux parce que mal compris, certaines eaux minérales ou de source en firent quelque temps un argument de vente sur leurs étiquettes : Bussang (Vosges) déclarée d'intérêt public en 1866, Villeminfroy (Haute-Saône) autorisée en 1859, Teissières (Cantal) autorisée en 1847 et "approuvée par l'académie de médecine", et beaucoup d'autres dont les images d'étiquettes sont visibles sur la Toile. Leurs radioactivités - faibles, mais réelles - étaient de l'ordre de celles que l'on trouve naturellement dans quelques régions granitiques, sans réel danger, mais sans effet thérapeutique non plus.

La Communauté européenne a fixé des doses de radioactivité à ne pas dépasser dans les aliments : le lait ne doit pas dépasser 500 Bq/l pour l'iode 131. Dans certains länder allemands, les normes sont beaucoup plus sévères (100 Bq/l en Sarre, 20 Bq/l en Hesse et Hambourg).

Radioécologie

Mi 2011 après l'accident nucléaire de Fukushima et à l’occasion d'une Conférence Internationale de Radioécologie et de Radioactivité Environnementale le 20 juin 2011 à Hamilton (Canada), huit organismes de recherche européens, avec le soutien de la Commission européenne, ont créé une Alliance européenne en radioécologie pour mieux intégrer la recherche en radioécologie. Ces organismes sont le BfS (Allemagne), le NERC (Royaume-Uni), le CIEMAT (Espagne), l'IRSN (France), le NRPA (Norvège), le SCK/CEN (Belgique), le SSM (Suède), et le STUK (Finlande). La commission soutient aussi le projet STAR (porté par l'Alliance Européenne en Radioécologie, l'Université des sciences de la vie de Norvège et l'Université de Stockholm sur les thèmes de « la formation, la gestion et la dissémination de la connaissance ainsi que de la recherche en radioécologie », en focalisant d'abord leurs efforts sur les sujets suivants :

« l’intégration des méthodes d’évaluation du risque radiologique pour l’homme et les écosystèmes » ;

« la recherche sur l’effet des faibles doses sur les écosystèmes » ;

« l’étude des conséquences des pollutions mixtes, qui associent les substances radioactives et chimiques ».

Contamination radioactive

En zone contaminée par des poussières radioactives, on se protège par une hygiène très stricte : confinements ; tenue étanche ventilée (TEV), heaume ventilé avec surtenue, et/ou autres protections ; nettoyage des surfaces de travail ; précautions pour éviter de soulever la poussière.

Les mesures sont réalisées au moyen de contaminamètres équipés de sonde α ou β [unités de mesure : Bq/m (pour la contamination volumique) ou Bq/cm (pour la contamination surfacique).

放射性的标志。Unicode所收录的编码为U+2622（☢）

放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线，（如α射线、β射线、γ射线等）而衰变形成稳定的元素而停止放射（衰变产物），这种现象称为放射性。衰变时放出的能量称为衰变能量。原子序数在83（铋）或以上的元素都具有放射性，但某些原子序数小于83的元素（如锝）也具有放射性。而有趣的是，从原子序93开始一直到锫元素有以下特性：原子序是偶数的，半衰期都特别长。由于偶数元素的原子核含有适当数量的质子和中子，因此形成有利的配置结构。〈即魔数〉

对单一原子来说，放射性衰变依照量子力学是随机过程，无法预测特定一个原子是否会衰变。不过原子衰变的机率不会随着原子存在的时间长短而改变。对大量的原子而言，可以用量测衰变常数计算衰变速率及半衰期。其半衰期没有已知的时间上下限，范围可以到55个数量级。

有许多种不同的放射性衰变。衰变或是能量的减少都会使有某种原子核的原子（父放射核素）转变为有另一种原子核的原子，或是其中子或质子的数量不同，称为子体核素。在一些衰变中，父放射核素和子体核素是不同的化学元素，因此衰变后产生了新的元素，这称为核嬗变。

最早发现的衰变是α衰变、β衰变、γ衰变。α衰变是原子核放出α粒子（氦原子核），是最常见释放核子的衰变，不过原子核偶尔也会释放质子，或者释放其他特殊的核子（称为簇衰变）。β衰变是原子核释放电子（或正子）及微中子，会将质子转变为中子（或是将中子转变为质子） 。核子也可能捕获轨道上的电子，使质子转变为中子，这为电子捕获，上述的衰变都属于核嬗变。

相反的，也有一些核衰变不会产生新的元素，受激态原子核的能量以伽马射线的方式发布，称为伽马衰变，或是将激发态原子核将能量转移至轨道电子上，轨道电子再脱离原子，称为内部转换。若是核子中有大量高度受激的中子，有时会以中子发射的方式释放能量。另外一种核衰变是将原来的原子核变为二个或多个较小的原子核，称为自发性的核分裂，出现在大量的不稳定核子自发性的衰变时，一般也会释放伽马射线、中子或是其他粒子。

地球上有28种化学元素具有放射性，其中有34种放射性同位素是在太阳系形成前就存在的。著名的例子像是铀和钍，但也包括在自然界中，半衰期长的同位素，例如钾-40。例如15种是半衰期短的同位素，像镭及氡，是由原始核素衰变后的产物，也有因为宇宙射线而产生的，像碳-14就是由宇宙射线撞击氮-14而产生。放射性同位素也可能是因为粒子加速器或核反应炉而人工合成，其中有650种的半衰期超过一小时，有数千种的半衰期更短。

历史

1907年居里夫妇及他们在巴黎的实验室 放射性是由法国科学家亨利·贝可勒尔在1896年研究磷光材料时发现，磷光材料在暴露在日光下后，在黑暗中会发光，他认为X射线碰撞阴极射线管后发出的光和磷光有关。他将照片底片卷在黑色纸张内．上面放置许多不同的磷光材料，一直到用铀盐时底片才有影像，即使底片被黑色纸张挡住内．底片仍有黑色的感光图像。这种辐射被称为「贝可勒尔射线」。 后来很快就发现上述的感光和磷光无关．因为使用非磷光材料的铀盐甚至铀金属，也会有一样的效果。因此推断有一种不可见的辐射可以穿过黑色纸张，使底片感光而变黑。 一开始大家认为这种辐射类似刚发现的X光。像贝可勒尔、欧内斯特·卢瑟福、保罗·维拉尔、皮埃尔·居里、玛丽·居里等人的研究发现这种辐射比X光复杂。卢瑟福是第一个发现其衰变方式都依循着指数形式衰减。卢瑟福和他的学生弗雷德里克·索迪最早发现许多的衰变会造成核嬗变，会使原子变成另一种原子。索迪-法扬斯放射位移定律可以描述α衰变及β衰变的产物。 早期的研究者也发现除了铀之外，许多其他的化学元素也有放射性同位素。皮埃尔·居里、玛丽·居里的系统化研究也让他们分离出两种新元素，分别是钋和镭，镭一方面具有放射性，而且化学性质类似钡，增加了分离的难度，居里夫人也因分离了这二种元素而获得诺贝尔化学奖。

放射性单位

放射性和侦测到电离辐射之间的关系 国际单位制（SI制）的放射性活度单位为贝可勒尔（Bq），得名自科学家亨利·贝克勒，1贝可勒尔定义为一秒有一个原子衰变。 较早期放射性活度的单位为居里（Ci），定义为其一克的镭226放射性活度。现在一居里定义为每杪3.7×10个原子衰变，因此1 居里 (Ci) = 3.7×10 Bq。在放射保护的应用上，美国核能管理委员会允许使用居里及国际单位制单位 ，但欧盟的欧洲测量单位指令要求在公共卫生方面，自1985年12月31日起不能使用居里单位。

衰变

放射性衰变通常都有一定的周期，并且一般不因物理或化学环境而改变，这也就是放射性可用于确定年代的原因。由于一个原子的衰变是自然地发生，即不能预知何时会发生，因此会以机率来表示。假设每颗原子衰变的机率大致相同，例如半衰期为一小时的原子，一小时后其未衰变的原子会剩下原来的二分之一，两小时后会是四分之一，三小时后会是八分之一。 原子的某些衰变会产生出另一种元素，并会放出α粒子、β粒子或中微子，在发生衰变后，该原子也会发布伽马射线。衰变后的实物粒子静止质量的总合会少于衰变前实物粒子静止质量的总和，根据质能方程，能量可以表现出质量。当物体的能量增加E，其质量则增加E/C²，当物体的能量减少E，其质量也减少E/C²，如果一个原子核衰变后放出实物粒子，假设该原子核在衰变前相对于某一惯性参照物静止，衰变后的新原子核和所放出的实物粒子相对于该惯性参照物运动，即对于该惯性参照物而言，新原子核和所放出的实物粒子具有动能，当新原子核或所放出的实物粒子与其他粒子发生碰撞，它便会失去能量。因此，衰变前和衰变后质量和能量都是守恒的，粒子的静止质量则不守恒。如果该原子核放出光子，同样的，光子也具有质量，但没有静止质量。通常衰变所产生的产物多也是带放射性，因此会有一连串的衰变过程，直至该原子衰变至一稳定的同位素。 发生核衰变的放射性元素有的是在自然界中出现的天然放射性同位素，如碳14，但其衰变只会经过一次β衰变转为氮14原子，并不会一连串地发生。也有很多是经过粒子对撞等方法人工制造的元素。 衰变类型 放射性原子核能以许多不同的形式进行衰变以使自身达到更稳定的状态。下表中总结了主要的几种衰变类型。一个质量数为A、原子序数为Z的原子核在表中描述为（A, Z），“子核”一栏以这种描述方式指出母核衰变后产生的子核与母核的不同。例如，（A − 1，Z + 1）意为“子核质量数比母核少1（少一个核子），而原子序数比母核多1（多一个质子）”。 衰变类型 参与的粒子 子核 伴随核子发射的衰变类型： α衰变 原子核中放射出一个阿尔法粒子（A = 4，Z = 2）的衰变类型 （A − 4，Z − 2） 质子发射 原子核中放射出一个质子（p）的衰变类型 （A − 1，Z − 1） 中子发射 原子核中放射出一个中子（n）的衰变类型 （A − 1，Z） 双质子发射 原子核中同时放射出两个质子的衰变类型 （A − 2，Z − 2） 自发裂变 原子核自发地分裂成两个或多个较小的原子核及其他粒子 — 簇衰变 原子核放射出一簇特定类型的较小的原子核或其他粒子（A1，Z1） （A − A1，Z − Z1）+ （A1，Z1） 各种β衰变类型： β衰变 原子核中放射出一个电子（e−）和一个反电中微子（ν e）的衰变类型 （A，Z + 1） 正电子发射（β衰变） 原子核中放射出一个正电子（e+）和一个电中微子（ν e）的衰变类型 （A，Z − 1） 电子捕获 原子核吸收一个轨道电子并放射出一个中微子的衰变类型（衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在） (A，Z − 1) 双β衰变 原子核放射出两个电子和两个反中微子的衰变类型 （A，Z + 2） 双电子俘获 原子核吸收两个轨道电子并放射出两个中微子的衰变类型（衰变后的原子核以不稳定激发态的形式存在） (A，Z − 2) 伴随正电子发射的电子俘获 原子核吸收一个轨道电子，再放射出一个正电子及两个中微子的衰变类型 （A，Z − 2） 双正电子发射 原子核中放射出两个正电子和两个中微子的衰变类型 (A，Z − 2) 同种原子核间的转换： 同质异构转换 激发态原子核放射出高能光子（γ射线）的衰变类型 （A，Z） 内部转换 激发态原子核将能量转移至轨道电子上，轨道电子再脱离原子的衰变类型 （A，Z）

天然辐射的来源

宇宙射线：初级宇宙射线是宇宙空间射到地球大气层的高能辐射，主要成分为质子（83～89%）、α粒子（10～15%）、原子序Z≥3的轻核和高能电子（1～2%），这种射线能量可达10MeV以上。次级宇宙射线是初级射线进入大气层后与空气中的原子核相互碰撞，引发一系列其他粒子，这些粒子自身转变或与周围物质发生作用；在海平面上观察的初级射线由介子（约70%）、核子、电子组成。

天然放射性核素：多数在地球起源时就存在于地壳中，经长久的地质年代，母、子体之间达到平衡，创建放射性核素系列，铀系（U为母体）、锕系（U为母体）、钍系（Th为母体），这些母体有极长的半衰期，系列中含有放射性气体Rn核素，末端都是稳定的Pb核素。

自然界中单独存在的核素：约有20种，如存在于人体中的K，有极长的半衰期，最长者为Bi，大于2×10，而K是最短的；另一个特点是强度极弱。

人工辐射的用途

医学：X光检查、癌症化疗

矿业：放射性选矿

工业：核能发电、探测焊接点和金属铸件的裂缝、工业生产线上的自动品质控制系统、量度电镀薄膜的厚度、消除静电

农业：知道肥料的吸收及流失

考古：鉴定古物所属的年代（放射性定年法）

其他：大气核试爆、夜光手表、烟火感应器、萤光指示牌、艺术品

放射性核素的起源

地球上放射性的原始核素是在太阳系形成前，超新星核合成时的爆炸残留物。这些核素是半衰期长的核素，在恒星吸积时留在星云中直到现在，自然界在岩石中．半衰期短的放射生成核素是由这些原始核素衰变而成。宇宙射线核素也会造成自然界中少量的放射性核素。这些地幔及地壳岩石中核素的衰变对地球内部的热量平衡有显著的贡献。