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1 LE NOYAU ATOMIQUE LA RADIOACTIVITE NOTIONS DE BASE SUR SES APPLICATIONS EN MEDECINE ET SES RISQUES.

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1 1 LE NOYAU ATOMIQUE LA RADIOACTIVITE NOTIONS DE BASE SUR SES APPLICATIONS EN MEDECINE ET SES RISQUES

2 2 1. LE NOYAU ATOMIQUE

3 3 - Taille par rapport à latome : r atome m r noyau m - Constituants du noyau : nucléons. p + = charge +, masse = 1, kg nombre : Z, (= nombre de - de latome) n = charge = 0, masse = 1, kg nombre : N nucléide : A = N + Z (A : nombre de masse, Z : numéro atomique) rayon du noyau proportionnel à A 1/3 notation du nucléide A (Z) X (N) exemple : U 143

4 4 Nucléides isotopes : même Z 3 1 H H 1 : 0,015 % abondance isotopique identique pour tous les échantillons naturels dun élément. 1 1 H 0 : 99,985 % - naturels, Z nucléides naturels = 1 à 92 (U) sauf 43 (Tc) et 61 (Pm) La plupart sont stables, certain sont instables, encore présents sur terre. soit parce quils ont été formés lors de la création de lunivers comme Th, U ou U qui mettent des milliards dannées à se désintégrer, ou quils sont produits lors de leur désintégration. soit parce quils sont créés en permanence par interaction des rayons cosmiques avec les gaz de latmosphère comme 3 1 H ou 14 6 C. - artificiels, tous instables, créés par réaction nucléaire (bombardement)

5 5 Nucléides isobares = même A Exemple isobare de A = Fe Zn Co Cu Ni 32 stable Exemple isobare de A = Te I Xe Ce Cs La Ba 79 stable

6 6 Nucléides isotones = même Nexemple ici N = Ne Na Mg Al Si Nucléides isomères = même A, Z, N énergie interne différente 142 keV 99m Tc 0 99 Tc

7 7 Masse du noyau, E de cohésion. Généralement M nucléide Z M proton + (A - Z)M neutron M = Z M proton + (A - Z) M neutron - M nucléide El = M C 2 énergie de liaison. Forces de cohésion qui diminuent très vite quand r augmente.

8 8 Unités pratiques : - énergie : eV (keV, MeV) ; 1 eV = 1, J - masse : unité de masse atomique l u = 1/12 masse 12 6 C Masse atomique molaire : 12 g d où 1 u = = 1, kg 12 N 1 u = 931,5 MeV / C 2

9 9 Masse des constituants de latome. uMeV / C 2 n 1, ,573 p1, ,279 e5, ,511

10 10 Nombres magiques : N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, ? Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82, ? modèle en couches du noyau atomique Nombres disotopes stables : Z = 20N = 20, 22, 23, 26, 28 Z = 50N = 62, 64 à 70, 72, 74, 76 N = 20Z = 16 à 20 N = 50Z = 36 à 40, 42

11 11 2. LA RADIOACTIVITE LES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES

12 12 Nucléides lourds - Fission - Emission A Z X A-4 Z-2 Y He ++ particule avec Ec Particules Ec MeV. Parcours dans leau 0,03 mm. Danger : ingestion, inhalation. Application médicale : radiothérapie de contact. Y peut être instable : « familles » radioactives.

13 13 Nucléides avec excès de neutrons : transformation isobarique n 1 1 p e - + A Z X A Z+1 Y e - + Le spectre en énergie de la particule - est continu, des énergies faibles jusquà un maximum : il y a partage de la E entre lélectron et un antineutrino. Parcours dans leau : quelques millimètres. Danger : ingestion mais aussi contamination externe Application médicale : radiothérapie interne ( 131 I, 90 Y …) Y peut être instable (radioactif ou - ) ou excité (Y * ), donnant alors lieu à une transformation isomérique.

14 14 Nucléides avec excès de protons. Transformation p n - émission 1 1 p 1 0 n e spectre + continu, partage de E - 1,02 MeV. donc E 1,02 MeV pour que la transformation soit possible. Lorsque le + a perdu son énergie cinétique, il se dématérialise 0 1 e e Deux photons de dématérialisation E = 511 keV Les 2 photons de dématérialisation sont antiparallèles. A Z X A Z-1 Y e + (polyénergétique) (monoénergétiques) Parcours dans leau des + : quelques millimètres. Danger : contamination externe et interne par + mais aussi irradiation externe par les photons de dématérialisation. Application médicale : TEP

15 15 h - Capture électronique (généralement couche K) : possible sans seuil de E 1 1 p e n A Z X A Z-1 Y Emission de photons X de fluorescence du fait de la vacance électronique (cf fig.). E h = E K - E L = (E K - E M ) + (E M - E L )... et/ou délectrons Auger (fig. du bas). Applications médicales : -Photons X parfois utilisables pour imagerie, le plus souvent pour comptage radioimmunologie … -Electrons Auger pour radiothérapie au niveau cellulaire car parcours dans leau très court (ordre du µm). e-e-

16 16 Un nucléide peut-il se désintégrer selon les 3 modes isobariques ? OUI, pour certaines valeurs paires de A, il y a alors deux valeurs de Exemple isobare de A = Tc Ru Sn Rh Ag In Pd Cd 58stable Ag 59 a Z et N impairs, il nest pas stable, alors que les deux nucléides voisins dont Z et N sont pairs sont stables. Il peut se désintégrer selon les 3 modes isobariques : - vers 106 Cd, + ou CE vers 106 Pd.

17 17 Transformation isomérique (TI). TI X*X* XX - Emission de photons gammas, simple, en parallèle ou en cascade. A Z X * A Z X + 0 o spectre monoénergétique ou de raies Parcours dans leau : pouvant atteindre plusieurs cm voire m. Danger : irradiation externe et aussi interne (mais moins que les particules chargées à énergie égale) Application médicale : scintigraphie

18 18 e-e- - Conversion interne : E confiée à un électron du cortège. Intervient concurremment à lémission gamma Suivie de : - émission de photons X de fluorescence - ou émission délectrons Auger h

19 19 Quantitativement : Chaque noyau dun radionucléide donné a une probabilité par unité de temps de se désintégrer, sa « constante radioactive », inverse dun temps et que lon note, caractéristique du radionucléide. Parmi N (t) atomes du radionucléide, le nombre dN de ceux qui se désintègrent pendant un court intervalle de temps dt vaut : dN = - N (t) dt N (t) = N 0 e - t où N 0 est le nombre datomes à t = 0 La période radioactive T : t = T pour N = N 0 / 2 => T = ln 2 / Lactivité : Nombre de noyaux du radionucléide qui se désintègrent par unité de temps: A = dN / dt, A en Bq = 1 désintégration par seconde. A = dN / dt = N, lactivité dun échantillon dépend donc de la nature et aussi de la masse du radionucléide dans léchantillon. Il y a également une diminution exponentielle de lactivité avec le temps: A = N doù A (t) = A 0 e - t ou A (t) = A t /T

20 20 Filiations radioactives Lorsque le radionucléide père se désintègre en un radionucléide fils qui est lui aussi radioactif, deux cas sont intéressants à considérer : - léquilibre de régime où du père T2) permet de construire un générateur, de façon a disposer du radionucléide fils sur une durée beaucoup plus longue que T2. Exemple médical : le générateur de 99 Mo/ 99m Tc 99 Mo -> 99m Tc e - + avec T = 67 h 99m Tc -> 99 Tc + avec T = 6h Le générateur, initialement rempli de 99 Mo, se charge en 99m Tc que lon peut récupérer par séparation chimique tous les jours ; lactivité de 99m Tc est sensiblement égale (un peu >) à celle du 99 Mo présent à cet instant dans le générateur. - léquilibre séculaire où du père > Ti), lactivité de chacun des radionucléides fils est égale à celle du père.

21 21 La radioactivité et le vivant : période efficace Lorsquun radionucléide (par exemple un traceur radioactif pour effectuer une scintigraphie) est introduit dans un organisme vivant, il peut disparaître de cet organisme par deux mécanismes : - la décroissance radioactive physique dont la « probabilité » par unité de temps est p - lélimination biologique (urine, féces, sueur, air exhalé …) dont la « probabilité » par unité de temps est b La « probabilité » totale de disparition par unité de temps est e = p + b. On peut aussi exprimer les périodes correspondantes, en unités de temps ( T = ln 2 / ), et on montre aisément que : 1/Te = 1/Tp + 1/Tb, Te étant appelée la période efficace. Si Tp >> Tb, Te = Tb, la disparition se fait par un mécanisme biologique Si Tp << Tb, Te = Tp, la disparition se fait par décroissance radioactive. Ces notions peuvent être appliquées à un organe (pour la dosimétrie). A radioactivité équivalente (activité, particules et énergie émises), plus Te est court plus lirradiation est faible (pas forcément vrai pour Tp).


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