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LES TRACEURS RADIOACTIFS

Principe
Les propriétés chimiques d’un isotope radioactif sont identiques à celles d’un isotope stable, à la seule différence que le radio-isotope est instable. Cette instabilité provoque la désintégration qui se traduit par l’émission de rayonnements. Il suffit alors de disposer d’outils de détection appropriés pour suivre à la trace ces radio-isotopes. Par exemple, le potassium 40 qui est mélangé au potassium stable dans notre alimentation va suivre exactement le même trajet dans notre corps que ses isotopes stables. La détection des rayonnements émis par le potassium 40 permet alors de suivre à la trace le déplacement de l’ensemble du potassium. Un radio-isotope peut donc servir de traceur à l’aide d’outils de détection appropriés.
Il est aussi possible de connaître la localisation d’une molécule par le même principe. Cette dernière est marquée par un radio-isotope qui lui sert d’étiquette. Le marquage peut être effectué de deux manières : remplacement d’un atome de la molécule par un de ses isotopes radioactifs ou accrochage à la molécule d’un atome radioactif. La molécule marquée est alors un traceur.
On utilise cette méthode en médecine pour suivre l’action d’un médicament, par exemple, ou bien dans l’étude du déplacement de produits dans l’environnement… Il faut bien noter que dans ces cas précis, le traceur est utilisé en très petites quantités qui sont bien suffisantes car les appareils de détection des rayonnements sont très sensibles. Les effets des rayonnements radioactifs ne sont ainsi pas dangereux à ces très faibles doses (Voir dossier pédagogique L'homme et les rayonnements). De plus, la période de ces isotopes est courte (de quelques minutes à quelques jours) et ils disparaissent très rapidement de notre corps ou de notre environnement.

Applications des traceurs en médecine
Les possibilités offertes par les applications des traceurs et de la radioactivité en recherche biologique et en médecine ont été l’un des facteurs essentiels du progrès médical au cours du XX^e siècle.
Ainsi, par exemple, des isotopes ont permis, à Avery en 1943, de montrer que l’ADN était le support de l’hérédité. Dans les années qui ont suivi, ils ont conduit à l’avènement de la biologie moléculaire avec la détermination du code génétique, la caractérisation des réactions chimiques assurant le fonctionnement cellulaire ou encore la compréhension des mécanismes énergétiques. Par ailleurs, des techniques utilisant la radioactivité élargissent les possibilités de diagnostic pour détecter et mieux guérir les maladies : c’est la médecine nucléaire. Au lieu de faire passer les rayonnements à travers l’ensemble du corps comme dans la radiographie, on introduit dans l’organisme une petite quantité de produit marqué par un radio-isotope émetteur de rayonnements gamma ou de rayonnements bêta plus donnant ensuite des rayonnements gamma. Ce produit reconnaîtra certaines cellules de l’organisme et indiquera si elles fonctionnent correctement. Par exemple, le thallium 201 permet d’observer directement le fonctionnement du cœur et de voir s’il présente des signes de faiblesse.
D’autres types d’examens détecteront la présence de tumeurs dans les os.
Les chercheurs utilisent aussi la médecine nucléaire pour comprendre le fonctionnement des organes. Par exemple, pour le cerveau, les techniques mises en œuvre permettent d’observer directement les parties de celui-ci impliquées dans la vision, la mémorisation, l’apprentissage des langues ou le calcul mental.
En recherche, le marquage d’une molécule (médicaments, produits énergétiques…) permet de suivre son devenir dans la cellule ou dans l’organisme. Cela permet de concevoir des
médicaments.

Applications des traceurs pour l’étude
de l’environnement
La mesure de l’absorption du rayonnement émis par une très petite source permet de mesurer la densité du milieu traversé. On peut ainsi suivre en continu la teneur de matières en suspension dans l’eau d’un fleuve comme le Rhône et réguler la purge de son barrage, de façon à ne pas dépasser le niveau qui mettrait en péril la faune et la flore du fleuve.
Mais on peut également, en marquant un sédiment ou un polluant avec un radio-isotope, le suivre à la trace. Cela permet d’optimiser des tracés de routes ou d’autoroutes pour minimiser les risques de pollution, ou de contrôler si les sites de stockage des déchets n’ont pas d’infiltration dans le sol. Les chercheurs utilisent aussi le déplacement de radio-isotopes naturels ou artificiels pour suivre, par exemple, le déplacement de masses d’air, de masses d’eau…

Applications des traceurs dans l’industrie
L’industrie utilise de nombreux réacteurs complexes et aux parois opaques. Les traceurs radioactifs peuvent être détectés à travers ces parois. Ils permettent d’étudier le comportement de fluides à l’intérieur de ces réacteurs. Les industries concernées sont multiples : la chimie, le pétrole et la pétrochimie, la fabrication de ciment, d’engrais, de pâte à papier, de chlore, de soude, d’explosifs, la métallurgie, l’énergie…
L’opération consiste à marquer une fine tranche de matière à l’entrée de l’appareil à étudier et à observer en différents endroits la courbe de restitution de la concentration du traceur en fonction du temps (voir encadré).

LA DATATION

Certains éléments radioactifs naturels constituent de véritables chronomètres pour remonter dans le temps. Des méthodes de datation ont été mises au point, fondées sur la décroissance de la radioactivité contenue dans les objets ou vestiges étudiés.
On peut ainsi remonter jusqu’à des dizaines de milliers d’années dans le passé avec le carbone 14, voire bien davantage avec d’autres méthodes telles que la thermoluminescence ou la méthode uranium-thorium.
La datation au carbone 14 permet d’aborder l’étude de l’histoire de l’Homme et de son environnement pendant la période de 5 000 à 50 000 ans avant le temps présent.
Le carbone est très répandu dans notre environnement et, en particulier, il entre dans la constitution de la molécule de gaz carbonique présente dans l’atmosphère. Ce carbone est constitué principalement de carbone 12. Cependant, une petite proportion de carbone 14 radioactif se trouve à l’état naturel. Le rapport carbone 14/carbone 12 est équilibré entre l’atmosphère et le monde du vivant (animal, végétal…) durant toute la vie de chaque individu grâce aux échanges nécessaires à celle-ci (respiration, photosynthèse et alimentation).
Après la mort d’un organisme, le carbone 14 n’est plus renouvelé par un échange avec le monde extérieur. Sa proportion diminue dans les organismes car il se désintègre petit à petit. La mesure du rapport carbone 14/carbone 12 permet donc de dater la mort. Moins il reste de carbone 14 dans le fossile à dater, plus la mort est ancienne.