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Qu’est-ce que le rayonnement cosmique?

Parlons sciences
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Ce document d’information décrit les rayonnements cosmiques et neutroniques.

Le rayonnement cosmique

Le rayonnement cosmique, aussi appelé à l’origine « rayons cosmiques », se compose de particules de très haute énergie provenant de l’espace lointain (le cosmos) et de notre propre système solaire. Le terme « rayon » avait été retenu pour désigner ces particules, car on croyait qu’il s’agissait d’une forme de rayonnement électromagnétique; mais ce sont en fait des particules!

Les particules cosmiques primaires

Pratiquement toutes les particules cosmiques primaires (environ 99 %) sont des nucléons (composants du noyau atomique), les autres étant des électrons libres (similaires aux particules bêta). La plupart des nucléons sont des protons (c.-à-d. des noyaux d’hydrogène) et des noyaux d’hélium (similaires aux particules alpha). Les nucléons d’autres éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium entrent aussi dans la composition du rayonnement cosmique. Ces particules à nombre atomique élevé et à haute énergie sont appelées « ions lourds de haute énergie ».

Les particules cosmiques primaires sont émises par différentes sources, notamment les éruptions solaires et les explosions sur notre propre Soleil (en pareil cas, elles sont souvent appelées « particules énergétiques solaires »), ainsi que les explosions d’étoiles, comme les novas et les supernovas, qui proviennent principalement de l’intérieur de notre galaxie, mais parfois aussi d’autres galaxies (elles sont alors appelées « rayons cosmiques galactiques »). Les rayons cosmiques galactiques sont au départ des particules éjectées du nuage de gaz en expansion et du champ magnétique; ceci est causé par une explosion stellaire. Les particules rebondissent généralement dans le champ magnétique et certaines finissent par acquérir assez d’énergie pour devenir un rayonnement cosmique et s’échapper dans la galaxie. Alors qu’elles continuent d’accélérer, certaines atteignent presque la vitesse de la lumière.

Les particules cosmiques primaires
Les particules cosmiques primaires peuvent provenir de sources variées, y compris les supernovas (© 2019 Parlons sciences)

En raison de leur grande vitesse et leur haute énergie, les particules cosmiques primaires sont très dangereuses pour les humains et les appareils. Sur la Terre, et dans une certaine mesure en orbite terrestre basse, nous sommes protégés contre les particules cosmiques primaires par l’atmosphère et la magnétosphère (champ magnétique) de la Terre. Toutefois, puisque les astronautes se rendent loin de la Terre (par exemple jusqu’à la Lune, et éventuellement sur Mars ou des astéroïdes), ils n’ont plus cette protection et, par conséquent, sont alors directement exposés à ces particules.

Les ions lourds de haute énergie sont particulièrement dangereux parce qu’ils sont fortement chargés et très énergétiques. Ces particules peuvent pénétrer d’épaisses couches de blindage et de tissu humain et ainsi provoquer une rupture des brins d’ADN, endommager des gènes et détruire des cellules.

Les particules cosmiques secondaires

Lorsque des particules cosmiques primaires entrent en collision avec des particules d’une autre matière, par exemple un vaisseau spatial, la Station spatiale internationale ou des molécules dans notre atmosphère, elles peuvent fractionner des molécules et provoquer ainsi la formation de particules cosmiques secondaires.

Par exemple, au moment de pénétrer dans l’atmosphère terrestre, les particules cosmiques primaires entrent en collision avec des molécules de gaz, principalement de l’oxygène et de l’azote, ce qui fait éclater les noyaux des gaz en plus petits fragments (processus appelé « spallation »). Cet éclatement provoque une cascade de particules ionisées et de rayonnement électromagnétique, appelée « pluie cosmique », dans la direction vers laquelle les particules primaires se déplaçaient. 

Les particules cosmiques secondaires
Lorsque des particules cosmiques primaires pénètrent dans l’atmosphère, elles peuvent devenir une variété de particules cosmiques secondaires (© 2019 Parlons sciences).

Les particules cosmiques secondaires sont généralement des protons, des neutrons, des pions positifs et négatifs, ainsi que des kaons positifs et négatifs. Certains pions et kaons se désintègrent en muons (particules élémentaires similaires aux électrons) et en neutrinos (particules élémentaires neutres), tandis que d’autres pions se désintègrent en photons gamma, soit une forme de rayonnement électromagnétique.

Les photons gamma peuvent alors produire des électrons et des positrons (antiparticules des électrons), qui libéreront d’autres photons gamma, et ainsi de suite.

Un grand nombre des particules cosmiques secondaires produites au départ fractionnent davantage de noyaux et se désintègrent en produisant davantage de particules. Le nombre de particules augmente donc rapidement à mesure que la pluie de particules descend dans l’atmosphère. Toutefois, les particules perdent de l’énergie à chaque interaction et finissent par ne plus pouvoir créer de nouvelles particules. Ainsi, seulement une petite fraction des particules cosmiques secondaires atteint la surface de la Terre.

Quantité extérieure annuelle de rayonnement cosmique en Amérique du Nord (en microsieverts)
<p>Dose ext&eacute;rieure annuelle provenant du rayonnement cosmique en Am&eacute;rique du Nord (nGy / h) (Source: <a href="https://pubs.usgs.gov/of/2005/1413/fullcosmic.htm">USGS</a>. L'exposition a &eacute;t&eacute; calcul&eacute;e &agrave; l'aide d'&eacute;quations publi&eacute;es par Boltneva, Nazarov et Fridman (1974).</p>

L’énergie des particules et l’altitude peuvent avoir un impact sur le fait qu’on puisse les rencontrer ou non. Par exemple, le personnel navigant est exposé à davantage de particules cosmiques secondaires que les personnes au sol. Et les gens habitant en montagne y sont davantage exposé que les habitants au niveau de la mer. En fait, les particules secondaires parviennent rarement à la surface de la Terre.

Le rayonnement neutronique

Les neutrons sont un type de particules cosmiques secondaires produites à la suite de l’interaction des particules cosmiques primaires avec la matière. Ce sont des particules présentes dans le noyau des atomes. Les neutrons ne sont pas chargés, contrairement aux protons et aux électrons. Le rayonnement neutronique est un type de rayonnement directement ionisant qui se compose de neutrons libres (neutrons libérés par les atomes). Les neutrons libres sont instables. S’ils n’entrent pas en interaction avec la matière, ils se transforment en protons et en électrons par désintégration bêta moins en environ 10,6 minutes.

Lorsque les neutrons libres entrent en contact avec la matière, ils interagissent seulement avec le noyau des atomes et non avec les électrons comme le font les particules chargées. Quand cela se produit, plusieurs résultats sont possibles selon l’énergie du neutron et la masse du noyau. Cependant, toutes les interactions sont régies par les lois de la conservation de l’élan et de l’énergie. Puisque les neutrons interagissent principalement avec les petits noyaux atomiques plutôt qu’avec les électrons atomiques, ils peuvent pénétrer très profondément dans la matière. 

Les neutrons libres n’interagissent pas avec les nuages électroniques d’atomes, mais ils peuvent interagir avec tous les noyaux se trouvant sur leur trajectoire
Les neutrons libres n’interagissent pas avec les nuages électroniques d’atomes, mais ils peuvent interagir avec tous les noyaux se trouvant sur leur trajectoire (© 2019 Parlons sciences).

Les interactions avec les neutrons

1. Diffusion élastique

Une collision élastique, qui est semblable à une collision de boules de billard, a pour effet de partager l’énergie cinétique entre le noyau cible et le neutron qui le percute. Si la somme des énergies cinétiques du neutron et du noyau après la collision est égale à leur somme avant la collision, on dit qu’il s’agit d’une collision élastique (c’est-à-dire que l’énergie cinétique est conservée). 

Le transfert d’énergie maximal (environ la moitié de l’énergie totale) se produit lorsque le neutron entre en collision avec un noyau de masse égale, à savoir l’atome d’hydrogène.

Noyau d’hydrogène lors d’une collision élastique
Lorsqu’un neutron percute un noyau d’hydrogène lors d’une collision élastique, il perd la moitié de son énergie cinétique et ralentit considérablement (© 2019, Parlons sciences).

Lorsqu’un neutron percute un noyau d’hydrogène, les protons eux-mêmes deviennent ionisants, parce que leur niveau d’énergie et leur charge leur permettent d’interagir avec les électrons dans la matière. De façon générale, les neutrons rebondissent et sont ralentis par les noyaux légers en raison de la diffusion élastique. C’est pourquoi les substances et matières riches en hydrogène, par exemple l’eau (H2O), le polyéthylène (C2H4)n et le béton, assurent une bonne protection contre le rayonnement neutronique.

2. Diffusion inélastique

Lorsqu’un neutron entre en collision avec un noyau plus lourd, il peut rebondir. En pareil cas, le neutron peut transférer une partie de son énergie au noyau et en perdre lui-même. Lorsqu’une partie de l’énergie cinétique est convertie en énergie d’excitation du noyau percuté, on dit qu’il s’agit d’une collision inélastique (c’est-à-dire que l’énergie cinétique n’est pas conservée). L’énergie supplémentaire acquise par le noyau est libérée sous forme de photons gamma.

Lorsqu’un neutron percute un noyau plus lourd lors d’une collision inélastique, l’énergie acquise par le noyau est libérée sous forme de photons gamma. Le neutron conserve cependant une importante quantité d’énergie
<p>Lorsqu&rsquo;un neutron percute un noyau plus lourd lors d&rsquo;une collision in&eacute;lastique, l&rsquo;&eacute;nergie acquise par le noyau est lib&eacute;r&eacute;e sous forme de photons gamma. Le neutron conserve cependant une importante quantit&eacute; d&rsquo;&eacute;nergie (&copy; 2019 Parlons sciences).</p>

3. Capture de neutrons

Lorsque le bore-10 capture un neutron, il se désintègre pour former du lithium-7, des photons gamma et une particule alpha
Lorsque le bore-10 capture un neutron, il se désintègre pour former du lithium-7, des photons gamma et une particule alpha (© 2019, Parlons sciences).

Les neutrons plus lents peuvent interagir directement avec un noyau dans un processus appelé « capture de neutrons ». En pareil cas, le noyau « capture » le neutron, ce qui produit un nouveau noyau (nucléosynthèse). Le nouveau noyau, plus lourd, s’excite (devient un radio-isotope) et émet une particule alpha et un rayonnement électromagnétique (photon gamma). Le noyau ainsi produit peut aussi être instable et se désintégrer en émettant différents types de rayonnement ionisant.

La capture de neutrons peut être utilisée en médecine. La boroneutrothérapie est un exemple de l’utilisation de ce processus pour détruire des cellules cancéreuses dans la tête et le cou. On utilise le bore en raison de sa grande capacité d’absorption des neutrons pour produire un rayonnement ionisant.

Références

Encyclopaedia Britannica. (2018). Neutron capture.

Friedlander, M. W. (2011, decembre 27). Cosmic ray. Encyclopaedia Britannica.

Kliewer, S. (n.d.). Primary cosmic rays. Berkeley Lab.

Mirion Technologies. (2015, avril 3). Types of ionizing radiation.

Nuclear Power for Everybody. (n.d.). Neutron elastic scattering.

Nuclear Power for Everybody. (n.d.). Neutron inelastic scattering.

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