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Polonium 210

isotope du polonium
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Le polonium 210, noté 210Po, est l'isotope du polonium dont le nombre de masse est égal à 210 (C'est le plus abondant des 33 isotopes du polonium[1]). Sa demi-vie est de 138,376 jours. Il a été découvert en 1898 par Marie Curie[1]. Ce radionucléide naturel n'est présent dans l'air et l'eau qu'à l'état de traces, mais il est est omniprésentdans l’environnement terrestres où il peut être concentré par certains réseaux trophiques. Il est généralement conjointement trouvé avec ses deux précurseurs directs (radon 222, plomb 210).

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C'est un élément très dangereux par son extrême radiotoxicité. Il est en effet très volatil, et rapidement assimilé par les organismes vivants en raison de sa chimie proche de celles du tellure et du bismuth. Il est cancérigène[2],[3]. C'est lui qui explique en partie au moins le cancer du poumon du fumeur et celui du mineur exposé à des résidus d'uranium[4],[5]. Il peut être retrouvé dans certaines eaux de boisson[6]

Propriétés physiques

C'est un radioélément très volatil : il perd 50 % de sa masse en 45 heures en n'étant chauffé qu'à 55 °C (son point de fusion est de 254 °C), peut-être par désagrégation à l'échelle atomique induite par sa très forte activité α, laquelle a d'ailleurs pour effet de le maintenir à température élevée.

Son noyau atomique compte 84 protons et 126 neutrons avec un spin 0+ pour une masse atomique de 209,9828737 g/mol. Il est caractérisé par un défaut de masse de 15 968 230 ± 2 909 eV/c2 et une énergie de liaison nucléaire de 1 645 228 334 ± 2 922 eV[7].

Production artificielle

Il peut être obtenu par transmutation, en bombardant du bismuth 209 avec des neutrons, ce qui génère du bismuth 210, lequel se transforme en polonium 210 (selon une période physique de 5 jours)[1].

Cycle naturel

Il est présent à l'état de traces dans tous les compartiments du milieu naturel (eau, air, sols, écosystèmes), où il provient de la désintégration du radon 222.

Avec le 210Pb il est géographiquement assez largement répandu dans l'environnent terrestre en tant qu'élément de la chaine de désintégration de de 238U (très présent dans le manteau et en profondeur dans la croûte terrestre)[8].

  • Dans l'air (basse troposphère) il peut provenir de la désintégration du 222Rn diffusant depuis des murs de granit, le sol ou le sous-sol (d'où il remonte via les galeries de mines, les failles, etc.). Sa gamme des concentrations d'activité dans l'air au niveau du sol varie de 0,03 à 0,3 Bq m-3 (à comparer à 0,2 à 1,5 Bq m-3 pour le plomb 210 (210Pb)[8].
  • Dans l'eau de puits, sa concentration d'activité est d'environ 7 à 48 mBq l-1 (à comparer à environ 11-40 mBq l-1 pour le 210Pb). Cependant l'eau potable distribuée par les réseaux de distribution est d'environ 3 mBq l-1 (de même pour le 210Pb)[8].
  • Dans les sols, provenant à la fois de la décroissance radioactive du radon 222 présent dans le sol et des retombées sèches du du 210Po en suspension dans l’air, il s'adsorbe sur l'argile mais aussi sur des colloïdes organiques dans les premiers cm du sol ; sa concentration d'activité varie dans le sol selon la nature du substrat et le sous-sol (naturellement plus ou moins riche en uranium, faillé ou non, etc.). Toutes choses égales par ailleurs, la teneur du sol en polonium 210 est aussi corrélée avec la quantité de précipitations atmosphériques, les eaux météoritiques le rabattant vers le sol s'il n'a pas été capté au passage par des végétaux. Les niveaux moyens de d'activité du 210Po dans les sols varient de 20 à 240 Bq kg-1[8]. (10 à 200 Bq/kg sur sol se selon l'IRSN[1]. Des pics de concentration sont relevés dans les sols formés sur des stériles ou autres résidus d’exploitation de mines d’uranium (15000 et jusqu'à 22000 Bq/kg)[1].

Origines

Son précurseur étant un gaz radioactif (le radon 222), le polonium 210 est formé en grande partie en suspension dans l'air (concentration atmosphérique moyenne : dans l’air de l’ordre de 50 Bq/m3. Une seconde source, importante, d'émissions est le volcanisme[1].

Cinétique environnementale

Les modèles de biocinétique sont encore en construction[9], mais on sait que les plantes se contaminent par des radionucléides radioactifs à la fois par absorption racinaire via l'eau du sol et via les éléments solubilisés par les acides organiques produits par leurs racines, ainsi que via leur réseau mycorhizien. Elles se contaminent aussi via leurs parties aériennes (feuilles principalement) à partir des dépôt (secs et/ou humides) de retombées radioactives[8].

Dans les feuilles fraîches de végétaux terrestres, le niveau de 210Po est particulièrement élevé (par rapport au reste de la plante) en raison de ces dépôts directs des produits de décomposition radioactive du radon (222Rn).
Cette contamination est plus importante dans les contextes granitiques et uranifères (en présence de déchets industriels et miniers riches en uranium)[8].
Le tabac est connu pour en absorber des quantités particulièrement élevées (radioactivité équivalent en moyenne à 13 ± 2 Bq kg-1), et pour des raisons mal comprises ce taux semble presque constant dans le temps et pour les origine géographique. (Un phénomène assez similaire est constaté pour le 210Pb, souvent associé au 210Po)[8].

Les végétaux de la strate mucinale (bryophytes (mousses) et lichens croissant en contact direct avec le sol ou sur les roches, ainsi que dans les tourbières) peuvent efficacement capter à la fois le 210Po et le 210Pb à partir des retombées atmosphériques d'une part et à partir d’émanations du sol/sous-sols et des eaux de ruissellement ou de la nappe superficielle d'autre part ;

  • Les tapis de mousses qui couvrent le sol en contiennent à hauteur de 0.5 à 5 kBq m−2
  • les lichens en contiennent environ 0.6 kBq m−2. L’activité radioactive moyenne des lichens (en poids sec) se situe aux environs de 250 Bq kg-1 selon Persson & al en 2011 [8].

Les lichens et mousses épiphytes sont eux principalement exposés aux dépôts aériens [8]..

Dans la toundra et la taïga le renne et le caribou sont deux espèces qui pour se nourrir broutent de grandes quantité de lichen et un peu de bryophytes. Ceci entraîne dans leur chair une concentration d'activité de 210Po et de 210Pb équivalent à 1 à 15 Bq kg-1.
Parce que ces animaux produisent du lait, divers sous-produits et de la viande consommée par l’homme (en zone périarctique principalement, mais le renne a été introduit dans certaines parties de l'hémisphère sud ; il en existe une population importante dans les îles Kerguelen) la chaine alimentaire lichen → renne ou caribou → être humain a fait l’objet d’études et a même été considérée comme un modèle pour étudier l'absorption et la rétention de 210Po (et du 210Pb) et les risques associés chez l'homme [8].

Dans les milieux subaquatiques (eau douce et environnement marin les animaux (filtreurs tout particulièrement) bioconcentrent le 210Po et de 210Pb, ce qui explique que les fruits de mer en contiennent des doses plus élevées (et donc une radioactivité plus significative) que les algues ou aliments végétariens terrestres.
Les consommateurs réguliers de fruits de mer sont exposés à une dose radioactive efficace qui « pourrait être 5 à 15 fois plus élevée » que s’ils ne consommaient que des produits végétaux [8].

Chez l'Homme...

L'exposition humaine a d'autres sources que l'alimentation (inhalation d'air contaminé par du Polonium ou du radon, tabagisme et inhalation de fumée ou cendres de bois notamment) mais certaines sources alimentaires sont plus concernées ; Beaucoup d'aliments végétaux contiennent de faibles doses de 210Po et 210Pb, mais qui peuvent être concentrés via la chaine alimentaire chez les herbivores puis les carnivores ou nécrophages :
selon les données disponibles au début des années 2010 outre les fruits de mer (voir plus haut) un consommateur régulier de viandes de renne et/ou de caribou (venaison issue de gibier chassé ou viande provenant d'élevage extensif, c'est à dire d'animaux ayant vécu dans leur milieu naturel et nourri avec des aliments industriels) sont exposés à une dose annuelle efficace de radioactivité due au 210Po et au 210Pb d’environ 260 μSv a-1 pour la consommation de renne et de 132 μSv a-1 pour la consommation de caribou [8].
Il en résulte des apports nutritionnels journaliers moyens médians (calculés pour la population mondiale adulte) qui seraient environ de 160 mBq jour-1 et 110 mBq jour-1 respectivement[8]. Ceci correspond à des doses efficaces annuelles de 70 μSv a-1 pour le 210Po et 28 μSv a-1 pour le 210P qui lui est souvent associé[8] ; alors que les apports alimentaires strictement végétariens ne sont que d’environ 70 mBq jour-1 pour le 210Po et 40 mBq jour-1 pour le 210Pb (soit des doses annuelles efficaces de 30,6 μSv a-1 et 10 μSv a-1, respectivement)[8].

Radioactivité

Un gramme de polonium 210 présente une radioactivité élevée : 166,4 TBq (=1,66.1014 Bq par gramme de 210mPo).

Il donne du plomb 206 par désintégration α avec une énergie de désintégration de 5 304 330 eV, une puissance spécifique[10] de 141,3 kW/kg, et une période radioactive de 138,376 jours[11] qui se déposent immédiatement et très localement dans la matière (après quelques microns de trajet) et à 0,001% de rayonnements gamma d’énergie à 0,80 MeV[1].

 
Schéma de désintégration du 210Po
 .

C'est donc un émetteur de rayonnement α particulièrement puissant : un milligramme de polonium 210 émet autant de particules α que 4,5 grammes de radium 226.

Le polonium 210 se désintègre en n'émettant que des particules α de 5 304 330 eV, sauf statistiquement dans un cas sur cent mille environ où il libère une particule α de 4 516 530 eV suivie d'un photon γ de 803,1 keV résultant de la désexcitation du noyau 206Pb produit transitoirement dans un état métastable.
La faible énergie de ce rayonnement γ, ainsi que sa très faible quantité, rend la détection du polonium 210 par spectroscopie γ plutôt délicate ; la spectroscopie α reste le plus sûr moyen pour caractériser le 210Po. Toutefois la présence de ce rayonnement peut être précieuse s'il est impossible de tester directement au contact (par exemple, présence de polonium uniquement à l'intérieur d'un autre matériau qu'on ne souhaite pas détruire).

Utilisation comme source radioactive

Les particules α sont rapidement absorbées par la matière environnant la source qui les émet, leur énergie étant convertie en chaleur, ce qui a fait utiliser le polonium 210 par le passé comme source d'énergie dans les générateurs de chaleur et les générateurs électriques à radioisotopes de sondes spatiales et de robots d'exploration planétaires tels que les Lunokhod soviétiques, où il a servi pour maintenir les instruments à température suffisante pendant la nuit lunaire. Néanmoins, la relative brièveté de sa décroissance le rend surtout adapté aux applications nécessitant de libérer beaucoup d'énergie en peu de temps, de sorte qu'un radioisotope à plus longue période radioactive comme le plutonium 238 (près de 88 ans) répond bien mieux aux besoins d'une mission spatiale à destination de planètes lointaines.

Outre le domaine spatial, le polonium 210 est également utilisé dans les applications antistatiques, telles que les certaines brosses industrielles pour matériels sensibles à l'électricité statique (le polonium 2010 ionise l'air, ce qui supprime l'électricité statique[1]).

Associé au béryllium, il peut également être utilisé comme source de neutrons (les sources β lui sont cependant généralement préférées car nettement moins dangereuses)[1].

Radiotoxicité

La radiotoxicité du polonium 210 est de 0,51 µSv/Bq quand il est ingéré, et 2,5 µSv/Bq quand il est inhalé.
5 microgrammes suffisent à tuer un humain adulte (il est près d'un million de fois plus toxique que le cyanure de sodium ou de potassium)[1].

Doses létales

  • La dose létale moyenne (DL50): Lors d'un syndrome d'irradiation aiguë, elle est de l'ordre de 4.5 sieverts, la mort étant pratiquement certaine au-delà du double de cette valeur.
    le 210Po ayanbt une activité massique de 166 TBq/g (4,500 Ci/g), une dose fatale à 50 % peut être obtenue par l'ingestion de 8,8 MBq (238 microcuries, µCi), c'est-à-dire seulement 50 nanogrammes (ng), ou par l'inhalation de 1.8 MBq (48 µCi), de l'ordre de 10 ng ; et une dose sûrement fatale correspond au double de ces doses.
  • La dose létale pour une contamination chronique est a priori faible, mais encore mal définies.

Cinétique dans l'organisme humain

Elle est étudiée depuis les années 1950-1960 chez l'Homme[12] et l'animal de laboratoire : 50% environ du polonium 210 absorbé à des doses non-mortelles sera éliminé dans l'urine[13] avec une période biologique d'environ 50 jours (délai nécessaire pour éliminer de l'organisme la moitié du polonium incorporé). L’autre moitié circule dans le sang[14] et se fixera (via certaines protéines dites métallothionéines[15], notamment) au niveau du foie, de la rate, des reins[16] et de la moelle osseuse où il pourra continuer à faire des dégâts[1] (en particulier, dans la moelle osseuse, il va détruire les cellules souches qui produisent les cellules sanguines (globules rouges, globules blancs et plaquettes sanguines) en causant une anémie et une perte grave des défenses immunitaires de la personne[1],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25].

Symptômes

Il n'y a pas de symptômes spécifiques pour l'intoxication chronique à très faible dose, mais les symptômes de l'intoxication aiguë sont ceux du syndrome d'irradiation aiguë (nausées, vomissements, perte de cheveux et immunodépression)[1].

Exemples

Dans la fiction

Notes et références

  1. ↑ a b c d e f g h i j k l m et n IRSN Les effets sur l'Homme Impact du polonium 210 sur l'homme, consulté le 3 février 2017
  2. ↑ Yuile C.L, Berke H.L & Hull T (1967) Lung cancer following polonium-210 inhalati0,00on in rats. Radiation Research, 31(4), 760-774.
  3. ↑ Little J.B, McGandy R.B & Kennedy A.R (1978) Interactions between polonium-210 α-radiation, benzo (a) pyrene, and 0.9% NaCl solution instillations in the induction of experimental lung cancer. Cancer research, 38(7), 1929-1935.
  4. ↑ Wagoner J.K, Archer V.E, Lundin Jr F.E, Holaday D.A & Lloyd J W (1965) Radiation as the cause of lung cancer among uranium miners. New England Journal of Medicine, 273(4), 181-188.
  5. ↑ Novak LJ & Panov D (1972). Polonium-210 in blood and urine of uranium mine workers in Yugoslavia. Am Ind Hyg Assoc J. Mar;33(3):192-6
  6. ↑ Gerasimo P & Laroche P (2004) Surveillance radiologique des eaux de boissons. Revue française des Laboratoires, 2004(364), 55-62.
  7. ↑ « Matpack – Periodic Table of the Elements »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?) (consulté le ) Properties of Nuclides: 84-Po-210
  8. ↑ a b c d e f g h i j k l m n et o Persson B.R & Holm E (2011) Polonium-210 and lead-210 in the terrestrial environment: a historical review | Journal of Environmental Radioactivity, 102(5), 420-429.
  9. ↑ Leggett RW & Eckerman KF (2001). A systemic biokinetic model for polonium. Sci Total Environ. Juilletl 25;275(1-3):109-25.
  10. ↑ (en) « Polonium », Argonne National Laboratory (consulté le )
  11. ↑ (en) « Désintégration du 210PO » (consulté le )
  12. ↑ Hill CR (1965). Polonium-210 in man. Nature. Octobre 30;208(9):423-8.
  13. ↑ Casarett LJ, Morrow PE (1964). Distribution and excretion of polonium 210. XI. Autoradiographic studies after intratracheal administration in the rabbit. Radiat Res. ;51:SUPPL 5:175+.
  14. ↑ Campbell JE & Talley LH (1954). Association of polonium-210 with blood. Proc Soc Exp Biol Med. Oct;87(1):221-3.
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  16. ↑ Bruenger FW, Lloyd RD, Taylor GN, Miller SC & Mays CW (1990). Kidney disease in beagles injected with polonium-210. Radiat Res. Juin;122(3):241-51
  17. ↑ Baratta EJ, Apidianakis JC & Ferri ES (1969). Cesium-167, lead-210 and polonium-210 concentrations in selected human tissues in the United States. Am Ind Hyg Assoc J. Sep-Oct;30(5):443-8.
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  19. ↑ Casarett LJ. Distribution and excretion of polonium 210. IX. Deposition, retention, and fate after inhalation by “nose only” exposure, with notes on mechanics of deposition and clearance and comparison of routes of administration. Radiat Res. 1964;51:SUPPL 5:148+
  20. ↑ Casarett LJ (1964). Distribution and excretion of polonium-210. V. Autoradiographic study of effects of route of administration on distribution of polonium. Radiat Res. ;51:SUPPL 5:93
  21. ↑ Cohen BS, Eisenbud M, Wrenn ME, Harley NH. (1979) Distribution of polonium-210 in the human lung. Radiat Res. Juillet;79(1):162-8
  22. ↑ Fellman A, Ralston L, Hickman D, Ayres L & Cohen N (1994). Polonium metabolism in adult female baboons. Radiat Res. Février;137(2):238-50cinéti
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  24. ↑ Lanzola EE, Allegrini ME, Taylor DM. The binding of polonium-210 to rat tissues. Radiat Res. 1973 Nov;56(2):370-84.
  25. ↑ Morrow PE, Smith FA, Dellarosa RJ, Casarett LJ & Stannard JN (1964). Distribution and excretion of polonium-210. II. The early fate in cats. Radiat Res. ;51:SUPPL 5:60-6
  26. ↑ Nathwani AC, Down JF, Goldstone J, Yassin J, Dargan PI, Virchis A, Gent N, Lloyd D, Harrison JD, Polonium-210 poisoning: a first-hand account, Lancet, 2016;388:1075–1080
  27. ↑ (en) « Arafat et le polonium: l'imbroglio qui passe par Lausanne », Tribune de Genève (consulté le )
  28. ↑ (en) Momoshima N., Song L.X., Osaki S.,Maeda Y.,, « Formation and emission of volatile polonium compound by microbial activity and polonium methylation with methylcobalamin », Environ Sci Technol, vol. 35, no 15,‎ , p. 2956–2960 (DOI 10.1021/es001730+, lire en ligne)
  29. ↑ (en) Momoshima N., Song L.X., Osaki S.,Maeda Y.,, « Biologically induced Po emission from fresh water », J Environ Radioact., vol. 63,‎ , p. 187 (DOI 10.1016/S0265-931X(02)00028-0)
  30. ↑ Khater A.E (2004). Polonium-210 budget in cigarettes. Journal of Environmental Radioactivity, 71(1), 33-41|URL:http://faculty.ksu.edu.sa/khater/recent/published%20papers.pdf.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Bibliographie

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1  H                                                             He
2  Li Be   B C N O F Ne
3  Na Mg   Al Si P S Cl Ar
4  K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5  Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6  Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7  Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
Tableau périodique des isotopes
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