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Image montre des rayons gamma émanant de la Voie lactée par le télescope spatial Fermi Gamma-ray

Image montre des rayons gamma émanant de la Voie lactée par le télescope spatial Fermi Gamma-ray (NASA)

Les STIM en contexte

Les rayons gamma : Alliés ou source de danger?

Safiya Erdogan

Résumé

Oublie les superhéros! En réalité, les rayons gamma aident à assurer la salubrité des aliments, à fabriquer des produits et à soigner des patients.

Aimerais-tu avoir la puissance de l’incroyable Hulk? Celui-ci a développé une force surhumaine lorsqu’il a été exposé à des rayons gamma, un type de rayonnement. Les rayons gamma provenaient d’une bombe expérimentale. Hulk peut maintenant soulever des montagnes et détruire des planètes. Penses-tu que le rayonnement gamma est tout ce dont tu as besoin pour faire de même? Arrête de te raconter des histoires!

Tu n’acquerras pas de superpuissances en t’exposant aux rayons gamma. Mais ceux-ci ont bien d’autres utilités. On les utilise dans le domaine médical et pour fabriquer des produits. On les utilise même dans le domaine de la transformation alimentaire.

Nous allons aborder l’utilisation des rayons gamma dans ces différents domaines. Mais tout d’abord, examinons la nature et les origines des rayons gamma.

Que sont les rayons gamma?

Les rayons gamma sont un type d’onde sur le spectre électromagnétique. Parmi toutes les ondes du spectre, les rayons gamma ont la longueur d’onde la plus courte et l’énergie la plus élevée.

Le spectre électromagnétique
Le spectre électromagnétique. Les rayons gamma sont à l’extrême gauche (à partir d’une image d’Inductiveload [CC BY-SA 3.0] sur Wikimedia Commons. Traduction de Berru [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]).

Le savais-tu?

Le physicien Ernest Rutherford a inventé l’expression « rayon gamma ». Ses travaux sur les rayons gamma, effectués à l’Université McGill, lui ont valu le prix Nobel de chimie.

Les rayons gamma sont produits dans de nombreuses situations.
 
Le plus souvent, on les retrouve dans l’espace sous forme de sursauts gamma. Ce sont les explosions les plus puissantes de l’Univers depuis le big bang.
 
Sur Terre, la foudre et les explosions nucléaires produisent des rayons gamma. Il est également possible d’en créer à l’aide d’un laser. Par exemple, le laser Gemini du Laboratoire Appleton Rutherford, situé au Royaume-Uni, produit des rayons gamma.

Le savais-tu? 

Un sursaut gamma peut émettre plus d’énergie en 10 secondes que le Soleil n’en émettra au cours de sa durée de vie. Étant donné que le Soleil a une durée de vie d’environ 10 milliards d’années, les sursauts gamma produisent beaucoup d’énergie!

Comment détecte-t-on les rayons gamma?

La Terre est entourée d’une couche invisible de vapeur d’eau et de gaz. Cette couche s’appelle l’atmosphère. Elle est composée d’eau, de dioxyde de carbone, d’ozone et d’autres molécules. L’atmosphère protège la Terre des rayonnements dangereux provenant de l’espace.

Cependant, des zones appelées fenêtres atmosphériques permettent à certains types de rayonnement de pénétrer l’atmosphère. Par exemple, toute la lumière visible traverse une fenêtre atmosphérique pour atteindre la Terre. C’est également le cas pour une partie de la lumière ultraviolette (UV). Par contre, l’atmosphère bloque 100 % des rayons gamma. Les rayons gamma qui se produisent dans l’espace doivent donc être détectés dans l’espace.

Les longueurs d’onde qui correspondent à des fenêtres atmosphériques
Les longueurs d’onde qui correspondent à des fenêtres atmosphériques (Parlons sciences, à partir d’une image originale de la NASA convertie en SVG par Mysid sur Wikimedia Commons).

 

En 1967, le satellite OSO-3 a effectué la première détection importante de rayons gamma depuis l’espace. Au total, le satellite a détecté 621 rayons gamma cosmiques. Un peu plus tard, le satellite américain Vela-5b a été mis sur orbite pour détecter les rayons gamma provenant des essais de bombe nucléaire. Il a plutôt détecté des sursauts gamma provenant de galaxies lointaines. Il s’agissait d’une découverte incroyable! C’est ainsi que les recherches scientifiques sur le rayonnement gamma ont commencé.

Le savais-tu? 

L’observatoire spatial Swift et le télescope spatial Fermi Gamma-ray sont deux engins spatiaux lancés pour étudier les rayons gamma depuis l’espace.

De gauche à droite : le télescope spatial Fermi Gamma-ray (NASA), le logo de la mission Swift (programme d’éducation et de sensibilisation du public de la NASA, Université Sonoma State, Aurore Simonnet) et l’observatoire spatial Swift (programme d’éducation et de sensibilisation du public de la NASA, Université Sonoma State, Aurore Simonnet).
De gauche à droite : le télescope spatial Fermi Gamma-ray (NASA), le logo de la mission Swift (programme d’éducation et de sensibilisation du public de la (NASA, Université Sonoma State, Aurore Simonnet) et l’observatoire spatial Swift (programme d’éducation et de sensibilisation du public de la (NASA Université Sonoma State, Aurore Simonnet).

Comment utilise-t-on les rayons gamma en médecine?

Les rayons gamma enlèvent des électrons des atomes. Il s’agit donc d’un type de rayonnement ionisant. Les études montrent que le rayonnement peut endommager l’ADN. De plus, les lésions de l’ADN peuvent entraîner le cancer. On a notamment étudié des survivants d’explosions nucléaires, des patients atteints du cancer qui ont reçu de fortes doses de radiothérapie et des personnes surexposées au rayonnement dans le cadre de leur emploi.

Cependant, on peut aussi utiliser les rayons gamma pour traiter le cancer. La radiothérapie détruit les cellules cancéreuses et réduit les tumeurs à l’aide de rayons gamma à haute énergie. La radiochirurgie par scalpel gamma est une forme particulière de radiothérapie. Afin de traiter le tissu cérébral lésé, il emploie des faisceaux de rayons gamma pour endommager l’ADN des cellules dangereuses. Il s’agit d’un des systèmes de radiochirurgie les plus exacts et précis.

La radiochirurgie par scalpel gamma permet de se concentrer sur une petite zone, sans endommager les tissus environnants. Elle peut également cibler des cellules situées au centre du cerveau sans devoir faire une incision. En fait, seulement 1 mm de tissu supplémentaire autour de la tumeur est détruit.

Le CyberKnife du CHUM (2009) par chumontreal (5 mins.).

Comment utilise-t-on les rayons gamma dans le secteur alimentaire?

L’irradiation des aliments consiste à exposer des produits alimentaires à des rayonnements ionisants pour détruire les bactéries et d’autres micro-organismes qui s’y trouvent.

Certains producteurs d’aliments emploient la stérilisation gamma. Il s’agit d’un type d’irradiation qui utilise les rayons gamma pour augmenter la durée de conservation des aliments et des boissons. Les produits alimentaires sont bombardés avec une source de rayons gamma à haute énergie. Normalement, on utilise le cobalt-60 ou le césium-137. Ces rayons gamma modifient les liaisons chimiques et détruisent les bactéries susceptibles de provoquer des maladies. Il s’agit d’un processus important pour la conservation des aliments, tout comme la mise en conserve des fruits ou la pasteurisation des produits laitiers.

Le public s’inquiète de la possibilité que les aliments irradiés ne soient pas sécuritaires. Après tout, l’exposition au rayonnement gamma est associée au mal des rayons. Cependant, la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis étudie les aliments irradiés depuis plus de 30 ans. Ses études montrent que les aliments irradiés sont parfaitement sécuritaires.  

Le savais-tu? 

L’irradiation est une façon de conserver les aliments dans le cadre des missions spatiales! Les aliments irradiés peuvent être entreposés pendant des années sans se gâter.

Comment utilise-t-on les rayons gamma dans le secteur manufacturier?

La gammagraphie industrielle permet de détecter des défauts, comme des fissures, dans les matériaux. Le rayonnement électromagnétique révèle la structure interne d’un matériau sans le détruire. Ainsi, les fabricants peuvent découvrir des problèmes à l’aide des rayons gamma.
 
Le processus est semblable à celui suivi par un radiologue qui examine un os blessé à l’aide de rayons X. Les rayons X traversent la peau et les organes sans blesser le patient. De la même façon, les rayons gamma traversent les matériaux sans les endommager.
 
La gammagraphie industrielle offre un moyen non destructif de tester des produits tels que les tuyaux, les matériaux soudés et les pièces d’avion. Ces procédures de contrôle garantissent que les matériaux sont sécuritaires et de bonne qualité.
 
Les rayons X et les rayonnements ultrasonores sont utilisés aux mêmes fins. Cependant, les appareils qui utilisent les rayons gamma sont plus petits et consomment moins d’énergie.

Lors de tests non destructifs, les zones sombres sur le film indiquent des couches minces et des trous, tandis que les zones claires indiquent des couches plus épaisses
Lors de tests non destructifs, les zones sombres sur le film indiquent des couches minces et des trous, tandis que les zones claires indiquent des couches plus épaisses (Parlons sciences, à partir d’une image de Bernoullies [CC BY-SA 3.0] sur Wikimedia Commons).

Les rayons gamma sont-ils dangereux?

De fortes doses de rayonnement peuvent être dangereuses pour les humains. Elles peuvent même être mortelles.

Dans les films de science-fiction, le rayonnement gamma crée souvent des créatures mutantes, ce qui porte les spectateurs à croire que le rayonnement est dangereux et doit être évité.
En réalité, nous sommes entourés de sources de rayonnement. Celui-ci se produit naturellement dans l’espace et dans la croûte terrestre. Le rayonnement est donc présent dans les aliments que nous consommons et dans l’air que nous respirons. Le rayonnement est également produit par les humains. Par exemple, il est émis par les lasers.

Mais même prises ensemble, toutes ces sources de rayonnement ne sont pas dangereuses. Il faudrait environ 750 fois plus de rayonnement pour te blesser.

En résumé…

Tu n’acquerras pas de superpuissances en t’exposant aux rayons gamma. En fait, ces rayons sont présents un peu partout. Ils sont utilisés à diverses fins, du traitement de maladies à la stérilisation de différents produits. Mais ils ne te transformeront jamais en un monstre vert. Alors, la prochaine fois que tu souhaiteras avoir une force surhumaine, rends-toi au gymnase pour soulever des poids.

Points de départ

Connecter et Relier
  • As-tu déjà subi un examen d’imagerie médicale? Le fait qu’on utilise le rayonnement pour réaliser cet examen te préoccupe-t-il? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Sais-tu si tu manges des aliments irradiés? Es-tu à l’aise avec la possibilité que les aliments contiennent des bactéries dangereuses? Ou préfères-tu éliminer cette possibilité en faisant irradier les aliments? Explique ta réponse.
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Connecter et Relier
  • As-tu déjà subi un examen d’imagerie médicale? Le fait qu’on utilise le rayonnement pour réaliser cet examen te préoccupe-t-il? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Sais-tu si tu manges des aliments irradiés? Es-tu à l’aise avec la possibilité que les aliments contiennent des bactéries dangereuses? Ou préfères-tu éliminer cette possibilité en faisant irradier les aliments? Explique ta réponse.
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Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement
  • Comment la technologie spatiale a-t-elle contribué à notre compréhension des rayons gamma?
  • Quels sont les avantages économiques potentiels de la gammagraphie industrielle dans le secteur manufacturier? 
Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement
  • Comment la technologie spatiale a-t-elle contribué à notre compréhension des rayons gamma?
  • Quels sont les avantages économiques potentiels de la gammagraphie industrielle dans le secteur manufacturier? 
Explorer les Concepts
  • Que sont les rayons gamma? Quelles sont les sources terrestres de rayons gamma? Quelle est la source des rayons gamma dans l’espace?
  • Que sont les rayons gamma cosmiques? Est-il possible de détecter les rayons gamma cosmiques à partir de la Terre? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Quelles sont les utilisations pratiques des rayons gamma?
  • Pourquoi fait-on irradier les aliments? Quel est l’effet du rayonnement sur la qualité d’un produit alimentaire? Quel est l’effet sur le corps humain de la consommation des aliments irradiés?
  • Quels sont les avantages offerts par la gammagraphie industrielle dans le cadre du contrôle des matériaux et des produits manufacturés? 
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Explorer les Concepts
  • Que sont les rayons gamma? Quelles sont les sources terrestres de rayons gamma? Quelle est la source des rayons gamma dans l’espace?
  • Que sont les rayons gamma cosmiques? Est-il possible de détecter les rayons gamma cosmiques à partir de la Terre? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Quelles sont les utilisations pratiques des rayons gamma?
  • Pourquoi fait-on irradier les aliments? Quel est l’effet du rayonnement sur la qualité d’un produit alimentaire? Quel est l’effet sur le corps humain de la consommation des aliments irradiés?
  • Quels sont les avantages offerts par la gammagraphie industrielle dans le cadre du contrôle des matériaux et des produits manufacturés? 
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Suggestions d'enseignement
  • Vous pouvez vous servir de l’article et de la vidéo dans le cadre d’un cours sur les sciences, sur la physique, sur l’ingénierie et la technologie ou sur la santé et le bien-être. Notamment, ces ressources abordent les rayons gamma, la salubrité des aliments, le rayonnement, le cancer et la fabrication.
  • Avant de lire l’article et de visionner la vidéo, vous pouvez demander aux élèves de suivre la stratégie d’apprentissage « Aperçu du vocabulaire » afin d’accéder aux connaissances préalables et de se familiariser avec la nouvelle terminologie. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec la stratégie d’apprentissage « Aperçu du vocabulaire » sont disponibles en format [Document Google] et [.PDF]. 
  • Après avoir lu l’article, les élèves peuvent consolider leur compréhension des rayons gamma à l’aide de la stratégie d’apprentissage « Toile de définition du concept ». Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec la stratégie d’apprentissage « Toile de définition du concept » sont disponibles en format [Document Google] et [PDF].
  • Pour mieux consolider l’apprentissage, demandez aux élèves de comparer les risques et les avantages associés à chaque utilisation industrielle des rayons gamma mentionnée dans l’article (contrôle des produits manufacturés, chirurgie de haute précision et stérilisation des aliments). On appelle aussi cette approche une analyse risques-avantages.
  • Pour approfondir l’apprentissage, vous pouvez demander aux élèves de créer un organisateur graphique ou une infographie (voir la stratégie d’apprentissage  Créateur d’infographie) qui met en valeur et résume les utilisations industrielles des rayons gamma. Cette tâche pourrait nécessiter des recherches supplémentaires pour en apprendre davantage sur les différentes applications des rayons gamma et sur la technologie associée à ces applications.  
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Suggestions d'enseignement
  • Vous pouvez vous servir de l’article et de la vidéo dans le cadre d’un cours sur les sciences, sur la physique, sur l’ingénierie et la technologie ou sur la santé et le bien-être. Notamment, ces ressources abordent les rayons gamma, la salubrité des aliments, le rayonnement, le cancer et la fabrication.
  • Avant de lire l’article et de visionner la vidéo, vous pouvez demander aux élèves de suivre la stratégie d’apprentissage « Aperçu du vocabulaire » afin d’accéder aux connaissances préalables et de se familiariser avec la nouvelle terminologie. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec la stratégie d’apprentissage « Aperçu du vocabulaire » sont disponibles en format [Document Google] et [.PDF]. 
  • Après avoir lu l’article, les élèves peuvent consolider leur compréhension des rayons gamma à l’aide de la stratégie d’apprentissage « Toile de définition du concept ». Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec la stratégie d’apprentissage « Toile de définition du concept » sont disponibles en format [Document Google] et [PDF].
  • Pour mieux consolider l’apprentissage, demandez aux élèves de comparer les risques et les avantages associés à chaque utilisation industrielle des rayons gamma mentionnée dans l’article (contrôle des produits manufacturés, chirurgie de haute précision et stérilisation des aliments). On appelle aussi cette approche une analyse risques-avantages.
  • Pour approfondir l’apprentissage, vous pouvez demander aux élèves de créer un organisateur graphique ou une infographie (voir la stratégie d’apprentissage  Créateur d’infographie) qui met en valeur et résume les utilisations industrielles des rayons gamma. Cette tâche pourrait nécessiter des recherches supplémentaires pour en apprendre davantage sur les différentes applications des rayons gamma et sur la technologie associée à ces applications.  
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En savoir plus

Un siècle de rayonnement gamma (1998) Le Temps -- Une histoire bref de la découverte des rayons gamma.

Rayons alpha, bêta, gamma : Les trois rayonnements émis par les noyaux La radioactivite.com -- Une courte introduction aux rayons alpha, bêta et gamma et leur découverte.

Radioactivité gamma (γ) Où comment les noyaux se débarrassent d'un surplus d'énergie La radioactivite.com -- Un aperçu de la découverte et des caractéristiques du rayonnement gamma.

« Le Saviez-Vous ? » : Que sont les rayons Gamma ? (2015) Le Saviez-Vous ? TV -- Cette vidéo présente les rayons gamma et certaines de leurs utilisations pratiques. (4 min 51 s)

Références

American Cancer Society Medical and Editorial Content Team. (2018, novembre 2). Microwaves, radio waves, and other types of radiofrequency radiation.

Canadian Space Agency. (2018, janvier 4). Eating in space.

Columbia Neurological Surgery. (n.d.). Gamma knife radiosurgery.

Committee on Radiation Source Use and Replacement, National Research Council. (2008). Radiation source use and replacement: Abbreviated version.

National Aeronautics and Space Administration. (2013, septembre). Gamma ray astronomy.

National Aeronautics and Space Administration, Science Mission Directorate. (2010). Tour of the electromagnetic spectrum: Gamma rays.

National Cancer Institute. (2019, janvier 8). Radiation therapy to treat cancer.

Palma, C. (n.d.). Radio waves to gamma-rays.

Sarri, G. (2018, janvier 15). How we created a mini ‘gamma ray burst’ in the lab for the first time. The Conversation.

United States Environmental Protection Agency. (2019, mars 26). Industrial radiography.

United States Food and Drug Administration. (2018, avril 1). Food irradiation: What you need to know.