Becquerel, gray, sievert… Pourquoi ne pas se contenter d’une seule unité pour la radioactivité ? Parce que cela dépend de ce que l’on cherche à déterminer et à mesurer. S’agit-il de quantifier l’intensité d’une source radioactive ? L’énergie déposée dans la matière ? Les effets potentiels sur la santé ? Ou encore de fixer des règles de protection pour les travailleurs et la population ? Selon que l’on adopte le point de vue du physicien, du biologiste, du médecin ou des autorités de radioprotection, les questions posées ne sont pas les mêmes et les unités utilisées non plus.

Dans les domaines de l’énergie nucléaire, de la médecine nucléaire ou de la radioprotection, les chiffres sont omniprésents. On parle de milliers de becquerels pour une source radioactive, de dizaines de grays pour un traitement de radiothérapie ou encore de millisieverts pour évaluer une exposition. Derrière ces valeurs se cachent pourtant des réalités très différentes, que chaque unité permet de décrire à sa manière.

Combien de désintégrations ?

Lorsqu’un noyau radioactif se transforme spontanément en émettant un rayonnement, on parle de désintégration radioactive. Le nombre de désintégrations qui se produisent chaque seconde dans une source donnée correspond à son activité, exprimée en becquerels (Bq).

Un becquerel correspond à une désintégration par seconde. Ainsi, une source de 1 000 Bq produit 1000 désintégrations par seconde. L’activité ne dépend que du nombre de noyaux radioactifs présents dans la source et de leur nature.

Le Bq permet de quantifier, en quelque sorte, la « quantité de radioactivité » produite par une source. En revanche, il ne dit rien sur les interactions des rayonnements émis avec la matière environnante, ni sur leurs conséquences sur les matériaux ou les organismes vivants présents au voisinage de la source.

Quelle énergie déposée dans la matière ?

Le rayonnement émis par la source peut ensuite traverser la matière qui l’entoure (la paroi du flacon qui contient la source radioactive, l’air, un mur, un corps humain…) et lui cède tout ou partie de son énergie en interagissant avec les atomes de cette dernière.  La question se pose alors de savoir quelle quantité d’énergie a été déposée et dans quelle masse de matière.

Pour quantifier ce dépôt d’énergie, on définit la dose absorbée, exprimée en grays (Gy), qui correspond à un joule d’énergie déposé par kilogramme de matière (1 Gy = 1 J/kg).

Contrairement au Bq, qui caractérise uniquement la source radioactive, le Gy dépend donc à la fois du rayonnement émis et de la matière traversée. Il mesure l’énergie effectivement absorbée par un matériau ou un tissu vivant, c’est-à-dire « l’empreinte physique » laissée par le rayonnement dans son environnement.

Si un rayon gamma traverse une pièce sans rencontrer d’obstacle, il ne dépose presque aucune énergie : la dose absorbée dans l’air ambiant est pratiquement nulle. S’il traverse un organisme humain, il y déposera une partie de son énergie, correspondant à une certaine dose absorbée en Gy. Enfin, si le rayon gamma est arrêté par une plaque de plomb, une grande partie de son énergie y sera déposée et la dose absorbée sera beaucoup plus élevée. Le rayonnement émis est donc identique dans les trois cas, mais les doses absorbées sont très différentes.

Le Gy permet donc de quantifier l’interaction entre les rayonnements et la matière. Pourtant, il ne raconte pas encore toute l’histoire…

Illustration sur le pouvoir de pénétration des rayonnements ionisants. © CEA/Yuvanoe/M.Hartmann

Quels effets biologiques ?

À énergie déposée égale, tous les rayonnements ne produisent pas les mêmes effets, en particulier sur les organismes vivants : les particules alpha, par exemple, causent davantage de dégâts biologiques localisés que les rayons gamma. Autrement dit, 1 Gy de particules alpha n’a pas les mêmes conséquences qu’1 Gy de rayons γ.

Pour tenir compte de cette « nocivité » relative ou, selon l’effet recherché, de cette « efficacité » relative, on pondère la dose absorbée selon le type de rayonnement : c’est la dose équivalente, exprimée en Sv.

Enfin, la dose efficace, exprimée également en Sv, combine les expositions des différents organes, en tenant compte de leur sensibilité aux rayonnements ionisants*, afin d’estimer le risque global pour l’ensemble de l’organisme.

Le sievert ne mesure donc plus seulement une énergie absorbée ; il tient compte des conséquences biologiques potentielles de cette exposition. Il joue donc un rôle central en radioprotection, en médecine et dans l’évaluation des risques liés aux rayonnements ionisants.

Évaluer les bénéfices et les risques pour diagnostiquer et soigner

Si les rayonnements ionisants présentent des risques pour les organismes vivants, ils constituent aussi des outils précieux pour la médecine, en diagnostic (scintigraphie, radiographie, scanner…) comme en thérapie.

En radiothérapie, les médecins utilisent généralement la dose absorbée, exprimée en Gy, car ils cherchent à délivrer une quantité précise d’énergie à une tumeur afin de détruire les cellules cancéreuses. Le but est de déposer suffisamment d’énergie dans la zone à traiter tout en préservant au maximum les tissus sains voisins.

En imagerie médicale, l’objectif est différent : on cherche à obtenir une information diagnostique tout en limitant autant que possible l’exposition du patient. Une radiographie des poumons correspond par exemple à une dose moyenne de 0,07 mSv.

Les doses exprimées en Sv permettent alors d’apprécier les effets biologiques potentiels des expositions et d’évaluer le rapport entre les bénéfices attendus d’un examen ou d’un traitement et les risques associés. Dans tous les cas, le compromis est le même : utiliser les rayonnements lorsqu’ils apportent un bénéfice réel au patient, tout en maintenant l’exposition au niveau le plus faible compatible avec l’objectif médical.

Réglementer les expositions aux rayonnements

Au-delà du domaine médical, une autre question se pose : comment déterminer si une exposition est acceptable pour un travailleur ou pour la population ?

Pour y répondre, les autorités de radioprotection s’appuient principalement sur le sievert, qui permet d’estimer les effets biologiques potentiels des rayonnements.

En France, l’Autorité de sûreté nucléaire et de radioprotection (ASNR) veille notamment au respect des règles de radioprotection. Celles-ci reposent sur trois principes : la justification des activités utilisant des rayonnements, l’optimisation des expositions et le respect de limites réglementaires. Ainsi, hors exposition médicale et exposition naturelle, la réglementation fixe à 1 mSv par an la dose maximale susceptible d’être reçue par la population du fait des activités nucléaires et des autres activités mettant en œuvre des rayonnements ionisants. Cette valeur sert de référence pour concevoir les installations, surveiller leur impact sur l’environnement et garantir un niveau élevé de protection.

Les différentes unités utilisées en radioactivité recouvrent donc des réalités complémentaires. Le becquerel indique ce que produit une source radioactive. Le gray mesure l’énergie déposée dans la matière. Le sievert renseigne sur les effets potentiels pour l’être humain. Loin d’être redondantes, ces unités répondent à des questions différentes et forment une chaîne cohérente, de la physique nucléaire à la médecine et à la radioprotection. Comprendre leur signification, c’est mieux comprendre comment les rayonnements sont mesurés, utilisés et maîtrisés dans notre société.■

Note historique : du curie au becquerel

Pendant une grande partie du XXᵉ siècle, l’activité radioactive, la dose absorbée et l’impact biologique potentiel des rayonnements étaient exprimés respectivement en curies (Ci), en rads et en rems. L’adoption progressive du Système international d’unités a conduit à leur remplacement par les unités actuelles. Les anciennes unités subsistent encore dans certains documents historiques et techniques

* Un rayonnement est ionisant s’il possède assez d’énergie pour arracher des électrons aux atomes et les transformer en ions. S’il est composé de particules chargées (électrons, alpha), il est dit directement ionisant. S’il est composé de particules neutres (rayons X, gamma, neutrons), il est indirectement ionisant.