Polonium 210

C'est un radioélément très volatil : un échantillon pur perd 50 % de sa masse en 45 heures en 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 radioactivité 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 209,982 87 g/mol. Il est caractérisé par un excès de masse de −15 953,1 ± 1,1 keV et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de 7 834,34 keV[1].

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 demi-vie de 5,012 jours[2].

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 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/m³ (à comparer à 0,2 à 1,5 Bq/m³ pour le plomb 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 le ²¹⁰Pb). Cependant l'eau potable distribuée par les réseaux de distribution est d'environ 3 mBq/L (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 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 radioactivité du ²¹⁰Po 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 (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 d'émissions — elle est importante — est le volcanisme[2].

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 dépôts (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 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 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 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 Persson et 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 quantités de lichen et un peu de bryophytes. Il s'ensuit dans leur chair une concentration d'activité de ²¹⁰Po et de ²¹⁰Pb 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 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]. Une étude a montré qu'en zone arctique les oiseaux marins absorbent préférentiellement le polonium 210 par rapport à son ancêtre le plomb 210[10].

Un gramme de polonium 210 présente une radioactivité élevée : 166,4 TBq (soit 1,66 × 10¹⁴ Bq par gramme de ²¹⁰Po)[11].

Il donne du plomb 206 par désintégration α avec une énergie de désintégration de 5 304,330 keV, une puissance spécifique[12] de 141,3 kW/kg, et une période 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 à 0,80 MeV[2].

Schéma de désintégration du ²¹⁰Po.

${\displaystyle \mathrm {^{210}_{\ 84}Po\ {\xrightarrow[{138,376\ jours}]{\alpha \ 5,407\ MeV}}\ _{\ 82}^{206}Pb} }$.

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 5 304,33 keV, sauf statistiquement, dans un cas sur cent mille environ, où il libère une particule α de 4 516,53 keV 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).

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 certaines brosses industrielles pour matériels sensibles à l'électricité statique (le polonium 210 ionise l'air, ce qui supprime l'électricité statique[2]).

Associé au béryllium, il peut également être utilisé comme source de neutrons (les sources β lui sont cependant généralement préférées car nettement moins dangereuses)[2].

Les seuils de radiotoxicité du polonium 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 le cyanure de sodium ou de potassium[2].