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Radioéléments cosmogéniques



La formation de radioéléments à partir des rayons cosmiques

Gerbes cosmiques
Une particule cosmique primaire qui pénètre dans l'atmosphère de la Terre génère une pluie de particules secondaires à la suite d'une cascade de collisions avec les noyaux d'azote et d'oxygène de l'air. Parmi ces particules secondaires certaines atteignent le sol. Nous sommes traversés depuis toujours par ce bombardement quotidien, représenté ici au dessus des jardins du Trocadéro à Paris. Le rayonnement cosmique contribue à la radioactivité naturelle à laquelle nous sommes exposés.
INFN/IN2P3

La Terre est en permanence bombardée par des « rayons cosmiques », des particules de très haute énergie en provenance de l'espace galactique (*). Ces particules (dites primaires) peuvent être électriquement chargées ou neutres. Les particules primaires chargées sont constituées pour 86 % de protons, pour 13 % de particules alpha et pour le reste de noyaux plus lourds. Les particules primaires neutres sont des photons gamma ou des neutrinos.

L'énergie des rayons cosmiques varie dans de très grandes proportions. Le champ magnétique inhomogène des étoiles, qui joue le rôle d'accélérateur, arrive à conférer à certaines particules cosmiques chargées des énergies supérieures au milliard d'électronvolts.. Quand ces particules arrivent au voisinage de la Terre, elles sont déviées par le champ magnétique terrestre qui joue le rôle de bouclier. Au voisinage des pôles, cette protection est moins efficace : les rayons cosmiques de haute énergie sont à l'origine des aurores boréales.

Quand ils pénètrent dans les couches supérieures de l'atmosphère, les rayons cosmiques entrent en collision avec des noyaux dont les fragments heurtent à leur tour d'autres noyaux. Cette cascade de collisions produit une gerbe de particules secondaires dont certaines atteignent la surface de la terre comme les muons (particules parentes des électrons, 200 fois plus lourdes et instables et instables) et les neutrinos.

Les muons interagissent peu et ne produisent pas de radioactivité. Les neutrinos, capables de traverser des obstacles de la taille d'une étoile, encore moins. Ces fantomatiques corpuscules nous traversent aussi à chaque instant par milliards, sans dommage car ils n'interagissent pratiquement pas avec la matière. La plupart de ces neutrinos sont produits par le soleil. D'autres sont d'origine galactique. Certains neutrinos enfin sont générés dans la haute atmosphère au sein des gerbes cosmiques.

Mais au cours du développement de la gerbe issue du rayon primaire les noyaux des atomes de l'atmosphère qui ont servi de cible ont pu être brisés, des protons et neutrons émis. Ces neutrons ont pu pénetrer dans les noyaux d'autres atomes pour les rendre radioactifs. Ces noyaux radioactifs, sous-produit du rayonnement cosmique, sont appelés cosmogéniques.

C'est ainsi qu'un de ces neutrons pénétrant dans un noyau d'azote de l'air déclenche l'éjection d'un proton ou d'un proton lié à deux neutrons (tritium). Dans le premier cas, l'azote s'est transformé en carbone-14 radioactif ; dans le second cas en carbone stable mais accompagné de tritium radioactif.

Principaux radioéléments cosmogéniques
Le carbone-14 et le tritium sont le principaux éléments générés par le rayonnement cosmique. L'inventaire correspond à l'activité totale dans l'atmosphère estimée à l'échelle de la Terre(1 PqQ égale 1 million de giga bequerels). Une partie du carbone-14 est absorbée par les plantes et pour le tritium dans l'eau. Les activités sont de l'ordre de quelques millibecquerels par mètre cube d'air.
IN2P3 (Source Cours K.Gerber)

Les principaux noyaux cosmogéniques), créés dans cette série de collisions, sont le carbone-14, le tritium, le berylium-7 et le bérylium-10. Certains disparaissent rapidement. D'autres vivent longtemps comme le carbone-14. Le carbone-14 est alors absorbé comme du carbone ordinaire par les plantes : on le retrouve à l'état de traces dans celles-ci et les êtres vivants.