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Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2 ème année Médecine Tout corps.

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1 Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2 ème année Médecine Tout corps à une température supérieure à 0°k émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique. Un corps qui reçoit un rayonnement électromagnétique peut en réfléchir une partie et absorber le reste. Une particule chargée de forte énergie émet un rayonnement électromagnétique lorsquelle est déviée, par un champ magnétique ou coulombien. Lorsqu'un atome excité revient à son état d'énergie fondamental, il émet un photon dont l'énergie correspond à la différence entre les deux états d'énergie de l'atome.

2 QUATRE CHAPITRES Matière et énergie Radioactivité Interactions des rayonnements avec la matière Source des rayonnements ionisants utilisés en Médecine

3 Radioactivité DEFINITION STABILITE DU NOYAU TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

4 Radioactivité DEFINITION STABILITE DU NOYAU TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

5 La radioactivité, terme inventé vers 1898 par Marie Curie, est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, pour se transformer en des noyaux atomiques plus stables.

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7 La radioactivité:

8 Pour quelles raisons certains noyaux sont-ils instables ? Pourquoi émettent-ils un rayonnement plutôt quun autre ? A quel rythme se désintègrent-ils et pendant combien de temps ? Comment mesure-t-on leur degré de radioactivité ?

9 Radioactivité DEFINITION STABILITE DU NOYAU TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

10 Défaut de masse et énergie de liaison W W/A (MeV/nucléon) 7,075 7,66 8,78 7,91 W W

11 W/A Puisque les éléments tendent à évoluer vers une stabilité plus grande, les éléments légers gagent en stabilité par fusion tandis que les éléments lourds gagnent en stabilité par fission.

12 RELATION ENTRE N ET Z Zone A Zone B Zone C Vallée de stabilité

13 Rouge: les noyaux sont stables. (vallée de stabilité). Jaune : radioactivité de type. Noyaux lourds (N,Z grands et donc A grand) Bleu: radioactivité de type -. ( excès de neutrons par rapport au noyaux stables de même nombre de masse A) Vert : radioactivité +. (excès de protons par rapport au noyaux stables de même nombre de masse A)

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15 Modes de désintégration Transformation Isomérique Transformation Isomérique : Désexcitation du noyau Émission Émission conversion interne conversion interne

16 Lois de conservation dans une transformation radioactive A = A + A 2.Z = Z + Z 3.m(X)c² = m(Y)c² + m(a)c² + ½ m(Y)V²(Y) + ½ m(a)V²(a) + h 4.m (X) = m (Y) + m (a) =

17 Radioactivité STABILITE DU NOYAU DEFINITION TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE

18 Excès de nucléons Emission Excès de nucléons Emission Le noyau est trop lourd et lémission se fait avec une perte de masse maximum On remarque le respect du nombre de masse et du nombre de charges alpha

19 DESINTEGRATION DESINTEGRATION

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22 Spectre monoénergétique

23 radioactivité STABILITE DU NOYAU DEFINITION TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

24 Excès de Neutrons Emission - Latome est plus lourd que lisotope stable, un neutron se transforme n p + + e -

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26 Radioactivité - : énergétique de la réaction Conservation de lénergie Avant la désintégration, Après la désintégration Energies au repos Energies cinétiques Energie totale

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28 Radioactivité - : spectre en énergie

29 Défaut de Neutrons Emission + Défaut de neutrons : Latome est moins lourd que lisotope stable, soit le proton se transforme P + n+ e +

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31 Radioactivité + : énergétique de la réaction Conservation de lénergie Avant la désintégration, Après la désintégration Energies au repos Energies cinétiques Energie totale Condition énergétique : Q β + > 2m é c²

32 Radioactivité + : spectre en énergie

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34 Radioactivité résumé Exp, radioactivité β - : 131 I(Z=53), 99 Mo(Z=42) radioactivité β + : 18 F(Z=9), 15 O(Z=8)

35 Défaut de Neutrons Capture électroniques Le noyau absorbe un électron du cortège électronique P + + e - n C.E.

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37 Capture électronique : énergétique de la réaction Conservation de lénergie Avant la désintégration, Après la désintégration Energies au repos Energies cinétiques Energie totale

38 Exp. 201 Tl (z=81)

39 Réarrangement électronique : Désexcitation de latome (E L – E K ) -W M

40 radioactivité STABILITE DU NOYAU DEFINITION TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

41 Transformation isomérique : désexcitation du noyau Le noyau passe de létat fondamental à un état excité, à la suite de - perturbation - une désintégration radioactive… Le retour à létat fondamental libère de lénergie sous forme - émission de photon - conversion interne

42 : Émission gamma :

43 DESEXCITATION DESEXCITATION

44 Onde électromagnétique Origine : le noyau à m E = k. c / (Einstein, 1905) E (eV) = / (Å) Photon (c = m/s) H = J.s) E 100 keV à 10 MeV

45 CONVERSION INTERNE Transfert de lénergie libérée par la transition vers le cortège électronique où un électron (K, L ou M…) peut être éjecté. - émission délectron éjectés avec E = E t - E l - émission de rayon X - émission délectron s Auger Réarrangement du cortège électronique Conversion interne : transformation non radiative

46 Noyau : ce quil faut retenir Z protons + N neutrons = A nucléons W = lénergie de liaison = m.c 2 Etats excités - retour à létat fondamental par émission de rayons ou délectrons de conversion interne Ligne de stabilité - retour à la stabilité par désintégration radioactive

47 99m Tc 99 Tc + - ; + 99 Mo 99m Tc + β- 18 F 18 O + β+

48 radioactivité STABILITE DU NOYAU DEFINITION TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

49 T0T0 t1t1 titi t2t2

50 dN = - N dt

51 N = N0 e - t Log N = - t + Log N0

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55 radioactivité STABILITE DU NOYAU DEFINITION TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

56 Lactivité : A Cest le nombre désintégrations dune source par unité de temps : A = + N A = A 0.e - t Unité : Becquerel = 1 désintégration / seconde Ancienne unité : 1Curie = Bq activité de : 1 g Radium 226

57 A=1 Bq Pour une activité a (Bq) m (g):

58 radioactivité STABILITE DU NOYAU DEFINITION TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

59 0 T t Filiation radioactive

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61 Exp: 99 Mo (T 1 =66h) - 99m Tc(T 2 =6h) On a T 1 >>T 2 1 << 2 Lorsque t T 2, Les éléments 1 et 2 sont dits en équilibre de régime A 2 (t) tend vers A 1 (t) A 2 (t) =

62 radioactivité STABILITE DU NOYAU DEFINITION TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

63 Un radionucléide un ou plusieurs organes cibles Élimination de l'activité incorporée par la combinaison de la décroissance radioactive du radionucléide et de l'élimination biologique propre à l'organe cible. On peut considérer que l'élimination biologique obéit à une loi exponentielle de période biologique Tb, La loi globale peut alors s'écrire : Ln 2 Ln 2 - ( ). t A = A0. exp T Tb période effective, Te : = Te T Tb Période biologique et période effective

64 Radionucléide Organe cible T TbTb TeTe 3 1 H organisme entier 12 ans 10 jours I thyroïde 8 jours 140 jours 7,6 jours Pu os ans 200 ans


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