Polonium 210

Schéma de désintégration du²¹⁰Po indiquant les ordres de grandeur des énergies en jeu.

table

Général

Nom	Polonium 210
Symbole	210 84Po 126
Neutrons	126
Protons	84

Données physiques

Demi-vie	138,376(2) jours[1]
Produit de désintégration	206Pb
Masse atomique	209,9828737(12)u
Spin	0+
Excès d'énergie	−15 953,1 ± 1,1 keV[1]
Énergie de liaison parnucléon	7 834,346 ± 0,005 keV[1]

Production radiogénique

Isotope parent	Désintégration	Demi-vie
210 83Bi	β−	5,012(5) jours
210 85At	β+	8,1(4) h
214 86Rn	α	0,27(2) μs

Désintégration radioactive

Désintégration	Produit	Énergie (MeV)
α	206 82Pb	5,40745

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Lepolonium 210, noté²¹⁰Po, est l'isotope dupolonium dont lenombre de masse est égal à 210. C'est le plus abondant des trente-trois isotopes du polonium^[2]. Sademi-vie est de 138,376 jours. Il a été découvert en1898 parMarie Curie^[2]. Ceradionucléide naturel n'est présent dans l'air et l'eau qu'à l'état detraces, mais il est omniprésent dans l’environnement terrestre où il peut être concentré par certainsréseaux trophiques. Il est généralement conjointement trouvé avec ses deux précurseurs directs (radon 222,plomb 210).

C'est un élément très dangereux par son extrêmeradiotoxicité. Il est en effet très volatil, et rapidement assimilé par les organismes vivants en raison de sa chimie proche de celles dutellure et dubismuth. Il estcancérigène^[3],[4]. C'est lui qui explique en partie au moins lecancer du poumon dufumeur et celui dumineur exposé à des résidus d'uranium^[5],[6]. Il peut être retrouvé dans certaines eaux de boisson^[7].

C'est un radioélément très volatil : un échantillon pur perd 50 % de sa masse en 45 heures en n'étant chauffé qu'à55 °C (sonpoint de fusion est de254 °C), peut-être par désagrégation à l'échelle atomique induite par sa très forteradioactivité α, laquelle a d'ailleurs pour effet de le maintenir à température élevée.

Sonnoyau atomique compte 84 protons et 126 neutrons avec unspin 0+ pour unemasse atomique de 209,982 87 g/mol. Il est caractérisé par unexcès de masse de−15 953,1 ± 1,1 keV et uneénergie de liaison nucléaire parnucléon de7 834,34 keV[1].

Il peut être obtenu partransmutation, en bombardant dubismuth 209 avec desneutrons, ce qui génère dubismuth 210, lequel se transforme enpolonium 210 selon unedemi-vie de 5,012 jours^[2].

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

Avec le²¹⁰Pb, il est géographiquement assez largement répandu dans l'environnent terrestre en tant qu'élément de la chaine de désintégration de²³⁸U (très présent dans le manteau et en profondeur dans la croûte terrestre)^[8].

• Dans l'air (bassetroposphère), il peut provenir de la désintégration du²²²Rn 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/m³ (à comparer à 0,2 à 1,5 Bq/m³ pour leplomb 210 (²¹⁰Pb)^[8].
• Dans l'eau de puits, sa concentration d'activité est d'environ 7 à 48 mBq/L (à comparer à environ 11 à 40 mBq/L pour le²¹⁰Pb). Cependant l'eau potable distribuée par les réseaux de distribution est d'environ 3 mBq/L (de même pour le²¹⁰Pb)[8].
• Dans les sols, provenant à la fois de la décroissance radioactive du radon 222 présent dans le sol et des retombées sèches du²¹⁰Po en suspension dans l’air, il s'adsorbe sur l'argile mais aussi sur descolloïdes 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 enpolonium 210 est aussi corrélée avec la quantité de précipitations atmosphériques, leseaux météoriques le rabattant vers le sol s'il n'a pas été capté au passage par des végétaux. Les niveaux moyens de radioactivité du²¹⁰Po dans les sols varient de 20 à 240 Bq/kg[8] (10 à 200 Bq/kg sur sol selon l'IRSN^[2]). Des pics de concentration sont relevés dans les sols formés sur des stériles ou autres résidus d’exploitation de mines d’uranium (15 000 et jusqu'à 22 000 Bq/kg)[2].

Son précurseur étant un gaz radioactif (leradon 222), lepolonium 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 d'émissions — elle est importante — est levolcanisme^[2].

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

Dans les feuilles fraîches de végétaux terrestres, le niveau de²¹⁰Po 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]. Letabac est connu pour en absorber des quantités particulièrement élevées (radioactivité équivalant en moyenne à 13 ± 2 Bq/kg), et, pour des raisons mal comprises, ce taux semble presque constant dans le temps et pour les origines géographiques (un phénomène assez similaire est constaté pour le²¹⁰Pb, souvent associé au²¹⁰Po)[8].

Les végétaux de lastrate muscinale (bryophytes (mousses) etlichens croissant en contact direct avec le sol ou sur les roches, ainsi que dans lestourbières) peuvent efficacement capter à la fois le²¹⁰Po et le²¹⁰Pb à partir des retombées atmosphériques d'une part et à partir d’émanations du sol ou du sol 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/m².
• Les lichens en contiennent environ 0,6 kBq/m². L’activité radioactive moyenne des lichens (en poids sec) se situe aux environs de 250 Bq/kg selon Perssonet al. en 2011[8].

Les lichens et moussesépiphytes sont eux principalement exposés aux dépôts aériens^[8].

Dans latoundra et lataïga, le renne et le caribou sont deux espèces qui, pour se nourrir, broutent de grandes quantités de lichen et un peu debryophytes. Il s'ensuit dans leur chair une concentration d'activité de²¹⁰Po et de²¹⁰Pb équivalent à 1 à 15 Bq/kg.

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 lesîles Kerguelen). La chaine alimentaire lichen → renne ou caribou → être humain a fait l’objet d’études et a même été considérée comme unmodèle pour étudier l'absorption et la rétention de²¹⁰Po (et du²¹⁰Pb) et les risques associés chez l'homme^[8].

Dans les milieux subaquatiques (eau douce etenvironnement marin), les animaux (filtreurs tout particulièrement)bioconcentrent le²¹⁰Po et de²¹⁰Pb, ce qui explique que lesfruits 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 unedose radioactive efficace qui« pourrait être 5 à 15 fois plus élevée » que s’ils ne consommaient que des produits végétaux^[8]. Une étude a montré qu'en zone arctique lesoiseaux marins absorbent préférentiellement le polonium 210 par rapport à son ancêtre leplomb 210^[10].

L'exposition humaine a d'autres sources que l'alimentation (inhalation d'air contaminé par du polonium ou du radon,tabagisme et inhalation defumée oucendres debois notamment), mais certaines sources alimentaires sont plus concernées ; beaucoup d'aliments végétaux contiennent de faibles doses de²¹⁰Po et²¹⁰Pb, mais qui peuvent être concentrés via la chaine alimentaire chez lesherbivores puis lescarnivores ounécrophages : selon les données disponibles au début desannées 2010, outre lesfruits de mer (voir plus haut), un consommateur régulier de viandes de renne 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 nourris avec des aliments industriels) sont exposés à une dose annuelle efficace de radioactivité due au²¹⁰Po et au²¹⁰Pb d’environ 260 μSv pour la consommation de renne et de 132 μSv pour la consommation de caribou[8].

Il en résulte desapports nutritionnels journaliers moyens médians (calculés pour la population mondiale adulte) qui seraient environ de 160 mBq et 110 mBq respectivement[8]. Ceci correspond à des doses efficaces annuelles de 70 μSv pour le²¹⁰Po et 28 μSv pour le²¹⁰Pb qui lui est souvent associé[8] ; alors que les apports alimentaires strictement végétariens ne sont que d’environ 70 mBq/jour pour le²¹⁰Po et 40 mBq/jour pour le²¹⁰Pb (soit des doses annuelles efficaces de 30,6 μSv et 10 μSv, respectivement)[8].

Un gramme depolonium 210 présente uneradioactivité élevée : 166,4 TBq (soit 1,66 × 10¹⁴ Bq par gramme de²¹⁰Po)[11].

Il donne duplomb 206 pardésintégration α avec uneénergie de désintégration de5 304,330 keV, une puissance spécifique[12] de 141,3 kW/kg, et unepériode radioactive de 138,376 jours^[13] qui se déposent immédiatement et très localement dans la matière (après quelques microns de trajet) et à 0,001 % de rayonnements gamma d’énergie à0,80 MeV[2].

${\displaystyle {}_{84}^{210}\mathrm{P}\mathrm{o}\underset{138,376\mathrm{j}\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{s}}{\overset{\alpha 5,407\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}}{\to }}{}_{82}^{206}\mathrm{P}\mathrm{b}}$.

C'est donc un émetteur derayonnement α particulièrement puissant : un milligramme depolonium 210 émet autant departicules α que 4,5 grammes deradium 226.

Lepolonium 210 se désintègre en n'émettant que desparticules α de5 304,33 keV, sauf statistiquement, dans un cas sur cent mille environ, où il libère uneparticule α de4 516,53 keV suivie d'unphotonγ de803,1 keV résultant de la désexcitation du noyau²⁰⁶Pb produit transitoirement dans un état métastable. La faible énergie de cerayonnementγ, ainsi que sa très faible quantité, rend la détection dupolonium 210 parspectroscopieγ plutôt délicate ; laspectroscopie α reste le plus sûr moyen pour caractériser le²¹⁰Po. 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).

Lesparticules α sont rapidement absorbées par la matière environnant la source qui les émet, leur énergie étant convertie en chaleur, ce qui a fait utiliser lepolonium 210 par le passé comme source d'énergie dans les générateurs de chaleur et lesgénérateurs électriques à radioisotopes desondes spatiales et de robots d'exploration planétaires tels que lesLunokhod 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'unradioisotope à plus longuepériode radioactive comme leplutonium 238 (près de 88 ans) répond bien mieux aux besoins d'une mission spatiale à destination de planètes lointaines.

Outre le domaine spatial, lepolonium 210 est également utilisé dans lesapplications antistatiques, telles que certaines brosses industrielles pour matériels sensibles à l'électricité statique (lepolonium 210ionise l'air, ce qui supprime l'électricité statique^[2]).

Associé aubéryllium, il peut également être utilisé commesource de neutrons (lessources β lui sont cependant généralement préférées car nettement moins dangereuses)^[2].

Les seuils deradiotoxicité dupolonium 210 sont de 0,51 µSv/Bq quand il est ingéré, et 2,5 µSv/Bq quand il est inhalé. Il est près d'un million de fois plus toxique que lecyanure de sodium ou depotassium^[2].

• Ladose létale médiane (DL₅₀) : lors d'unsyndrome d'irradiation aiguë, elle est de l'ordre de 4,5 Sv, la mort étant pratiquement certaine au-delà du double de cette valeur. Le²¹⁰Po ayant uneactivité 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 µCi), c'est-à-dire seulement 50 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 esta priori faible, mais encore mal définie.

Elle est étudiée depuis les années 1950-1960 chez l'Homme^[14] et l'animal de laboratoire : 50 % environ du polonium 210 absorbé à des doses non-mortelles est éliminé dans l'urine^[15] avec unepériode biologique d'environ 50 jours (délai nécessaire pour éliminer de l'organisme la moitié du polonium incorporé). L’autre moitié circule dans lesang^[16] et se fixera (via certaines protéines ditesmétallothionéines^[17], notamment) au niveau dufoie, de larate, desreins^[18] et de lamoelle osseuse où il pourra continuer à faire des dégâts^[2] (en particulier, dans la moelle osseuse, il va détruire les cellules souches qui produisent les cellules sanguines (globules rouges,globules blancs etplaquettes sanguines) en causant uneanémie et une perte grave des défenses immunitaires de la personne^{[2],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27]}.

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 dusyndrome d'irradiation aiguë (nausées,vomissements,perte de cheveux etimmunodépression)^[2].

• Lepolonium 210 est le poison qui a été utilisé pourassassiner en 2006Alexandre Litvinenko^[28]. Il est aussi suspecté comme cause de la mort deYasser Arafat^[29].

• Il est assimilé par les organismes vivants en raison d'une biochimie proche de celles dutellure et dubismuth : on a montré que certainsmicro-organismes sont capables deméthyler lepolonium à l'aide deméthylcobalamine, de la même façon qu'elles peuvent méthyler lemercure, lesélénium et letellure^[30],[31].
• On retrouve du polonium 210 dans lescigarettes, lesmégots et lafumée du tabac^[32]. La présence depolonium 210 sur les feuilles de tabac est liée à l'absorption deradon émanant du sol par la feuille et/ou de l'utilisation de certainsengrais riches enphosphate^[2] (engrais extraits de mines d'apatites, une roche qui contient du radium et du polonium).

• Notice dans un dictionnaire ou une encyclopédie généraliste :

  • Britannica
• Argonne National Laboratory, Polonium.

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