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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 Année universitaire.

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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 Année universitaire

2 Les radiations ou rayonnements ionisants sont constitués par des flux de particules en mouvement rapides de nature et dénergie cinétiques variées. Les radiations sont produites par des phénomènes spontanée, la désintégration des atomes radioactifs (naturels ou artificiels) ou par laccélération artificielle des particules.

3 B [Ag] B=comptage de la forme liée [Ag]

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

5 Matière et énergie GRANDEURS ET UNITES STRUCTURE DE LATOME CORTEGE ELECTRONIQUE NOYAU Nucléons Nucléides RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES DEFINITION PROPRIETES SPECTRE

6 Matière et énergie GRANDEURS ET UNITES STRUCTURE DE LATOME CORTEGE ELECTRONIQUE NOYAU Nucléons Nucléides RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES DEFINITION PROPRIETES SPECTRE

7 GRANDEURS ET UNITES Unité de masse atomique : 1 u.m.a. = g = 1, g Énergie : électron-volt (eV) 1 eV = 1, C x 1 V = 1, J ( keV, MeV) Équivalence masse - énergie E = mc² E : énergie en joule m : masse en kg c : vitesse de la lumière dans le vide = ms -1 1 uma = 1, x ( )² = 1, J = 1, / 1, = 931, eV = 931,4 MeV

8 Matière et énergie GRANDEURS ET UNITES STRUCTURE DE LATOME CORTEGE ELECTRONIQUE NOYAU Nucléons Nucléides RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES DEFINITION PROPRIETES SPECTRE

9 STRUCTURE DE LATOME Corps pur constitué datomes de Fe Corps composé : la molécule deau est constituée de 2 atomes dhydrogène et dun atome doxygène H 2 O Du macroscopique au microscopique

10 Espace occupé par les électrons Atome : environ m noyau électron Neutron Proton Noyau : environ m

11 CORTEGE ELECTRONIQUE La masse dun électron au repos La masse dun électron au repos m 0 = kg = 0, uma = 0,511 MeV Les électrons gravitent à différentes distances du noyau, Couche n i de niveau énergétique i E i = - 13,6 Z²/n i ² Énergie de liaison W i = - E i = 13,6 Z²/n i ² -Ze +Ze r1r1 r2r2 N M L K n=4 n=3 n=2 n=1

12 État fondamental et état excité de latome à la suite dune ionisation ou excitation ou désintégration radioactive, latome peut être dans un état excité Etat excité N M L K Perturbation N M L K é éjecté Configuration telle que lénergie de liaison est maximale Configuration telle que lénergie de liaison est maximale

13 Désexcitation de latome (E L – E K ) -W M = -13,6Z²/2² - (-13,6Z²/1²)

14 En résumé Photons de fluorescence ou raie X caractéristique L M e-e- K Ionisation de la couche K : L M e - Auger K Electron Auger : E Auger = (E K – E L ) – E liaison M E L – E K - L M X K Processus de désexcitation : Emission X : E x - h - E L - E K L M K e-e- P+P+

15 NOYAU Un noyau stable est un système lié de A nucléons (interaction attractive > interaction répulsives des charges) A Nombre de nucléons Z Nombre de protons N = A – Z Nombre de neutrons R noyau = r 0.A 1/3 avec r 0 = 1.3 fm X A Z P+P+ n Electron Atome Noyau atomique m m

16 Nucléons Le proton ou p : ion H ou H + Le proton est stable à létat libre, dans certaines conditions énergétiques, le proton peut se transformer en un neutron et un électron positif. Charge = + 1, C Masse = 1, kg = 1,0074 u.m.a = 938,21 MeV Le neutron ou n Charge : nulle, Hors du noyau, le neutron est radioactif : il se désintègre en un proton et un électron négatif. Masse = 1, kg = 1,0087 u.m.a. = 939,51 MeV

17 Neutron Quark up Quark down Charge : -1/3 Charge : +2/3 Proton Les nucléons sont des objets composite, ils sont constitués de trois QUARKS Proton = uud Neutron = ddu

18

19 Énergie de liaison dans le noyau Noyau atomique Force électromagnétique répulsive entre les protons Interaction forte liaison entre les nucléons Noyau stable Interaction forte >> Force électromagnétique

20 Défaut de masse Considérons un noyau dhélium Considérons un noyau dhélium masse des 2 protons isolés : 2 1,0074 = 2,0148 u.m.a. masse des 2 protons isolés : 2 1,0074 = 2,0148 u.m.a. masse des 2 neutrons isolés : 2 1,0086 = 2,0172 u.m.a. masse des 2 neutrons isolés : 2 1,0086 = 2,0172 u.m.a. somme des masses des particules isolées : 4,032 u.m.a. somme des masses des particules isolées : 4,032 u.m.a. masse réelle du noyau dhélium : 4,002 u.m.a. masse réelle du noyau dhélium : 4,002 u.m.a. Par rapport aux particules qui le constituent, le noyau dhélium présente donc un défaut de masse : m ou E Par rapport aux particules qui le constituent, le noyau dhélium présente donc un défaut de masse : m ou E m = 4,032 – 4,002 = 0,03 u.m.a. m = 4,032 – 4,002 = 0,03 u.m.a. E = m c 2 E = m c 2 E = 0, , , ( ) 2. = 2, J/mol 4 He E = 0, , , ( ) 2. = 2, J/mol 4 He

21 Défaut de masse et énergie de liaison B : Énergie quil faut dépenser pour séparer les nucléons dun noyau. Cest ce quon appelle énergie interne ou de liaison : W B : Énergie quil faut dépenser pour séparer les nucléons dun noyau. Cest ce quon appelle énergie interne ou de liaison : W W/A : Énergie moyenne par nucléon dans un noyau W/A : Énergie moyenne par nucléon dans un noyau W M noyau < Z.m p + N. m N M noyau < Z.m p + N. m N - m M noyau. c 2 = (Z.m p + N. m N - m).c 2 M noyau. c 2 = (Z.m p + N. m N ).c 2.W W = (Z.m p + N. m N – M noyau ).c 2

22 Nucléides Les isotopes : nucléides avec même numéro atomique Z, Les isotopes : nucléides avec même numéro atomique Z, Exp. Isotopes de liode : 123 I, 125 I, 127 I, 131 I Exp. Isotopes de liode : 123 I, 125 I, 127 I, 131 I Les isobares : nucléides avec même nombre de masse A, Les isobares : nucléides avec même nombre de masse A, Exp. 131 I et 131 Xe Exp. 131 I et 131 Xe Les isotones : nucléides avec même nombre de neutrons N Les isotones : nucléides avec même nombre de neutrons N Exp. 3 H et 4 He Exp. 3 H et 4 He Les isomères Ce sont des noyaux qui ont le même nombre de masse A et le même numéro atomique Z, mais qui possèdent une énergie interne nucléaire W différente. Les isomères Ce sont des noyaux qui ont le même nombre de masse A et le même numéro atomique Z, mais qui possèdent une énergie interne nucléaire W différente. Exp. 99m Tc et 99 Tc Exp. 99m Tc et 99 Tc

23 Matière et énergie GRANDEURS ET UNITES STRUCTURE DE LATOME CORTEGE ELECTRONIQUE NOYAU Nucléons Nucléides RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES DEFINITION PROPRIETES SPECTRE

24 DEFINITION Relation de Duane et Hunt E(eV) = Rayonnements électromagnétiques propagation de E, H transverses Photon : corpuscule associé au champ électromagnétique ENERGIE E = h avec : fréquence ( = c/ ) h : constante de Planck (h = J.s)

25 E=h Sources Fréquence (M2) Nom commun de londe Taille de londe Longueur donde (M)

26 Photon de freinage raies (spectres nucléaires) Spectre visible raies X caractéristiques ( spectres atomiques) Energies et longueurs donde des photons Diamètre atomique Diamètre nucléaire eV 1µ 0.1µ 0.01µ 10Å 1Å 0.1Å 0.01Å Å10 -4 Å

27 Tout corps à une température supérieure à 0°k émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique. 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. 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. 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. 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.


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