Séquence 5 LA MEDECINE NUCLEAIRE Comment soigner avec la radioactivité ?

Introduction Le mot « nucléaire » désigne le noyau des atomes. Ainsi, la physique nucléaire est la science qui permet d’étudier les noyaux des atomes.

1. RAPPELS a) L’atome et son noyau Un atome est constitué de : un nuage électronique (les électrons) un noyau (les nucléons)

Le noyau d’un atome comporte A nucléons dont Z protons et N neutrons. A est appelé le nombre de masse. Z est appelé le nombre de charge.

Nom de l’élément chimique Chaque noyau possède : un nombre de charge Z qui lui est propre un nom (élément chimique) un symbole Nombre de charge Z Nom de l’élément chimique Symbole 1 Hydrogène H 5 Azote N 6 Carbone C 8 Oxygène O

Notation symbolique d’un noyau

b) Les isotopes Deux noyaux ayant le même nombre de protons Z mais un nombre différent de neutrons N sont appelés des isotopes. Ils ont le même symbole car le même Z. Ex : 𝟔 𝟏𝟐 𝑪 𝑒𝑡 𝟔 𝟏𝟒 𝑪 sont des isotopes de l’élément carbone.

Certains noyaux sont instables et vont se désintégrer naturellement en émettant un rayonnement radioactif. Qu’est-ce qu’un rayonnement radioactif ?

2. LES RAYONNEMENTS RADIOACTIFS Un noyau radioactif est un noyau qui peut émettre trois types de particules (α ou β- ou β+) et un rayonnement γ. Le noyau radioactif se désintègre alors selon l’équation: *

* Cette désintégration est appelée réaction de fission nucléaire. Toute réaction nucléaire vérifie 2 règles : La conservation des nucléons : A = A’ + a La conservation des charges : Z = Z’ + z *

83 213 𝑩𝒊 → 𝟖𝟏 209 𝑻𝒍 + 2 𝟒 𝑯𝒆 a) La radioactivité α Le bismuth 213 est un émetteur α qui se désintègre en thallium 209. ? Particule α 83 213 𝑩𝒊 → 𝟖𝟏 209 𝑻𝒍 + 2 𝟒 𝑯𝒆 Très dangereuses, les particules α pénètrent peu la matière. Une feuille de papier permet de les arrêter.

1 3 𝑯 → 2 3 𝑯𝒆 + −1 0 𝒆 b) La radioactivité β- Le tritium, isotope de l’hydrogène, est un émetteur β- . 1 3 𝑯 → 2 3 𝑯𝒆 + −1 0 𝒆 ? ? ? ? ? ? Ces électrons de grande énergie sont arrêtés par une feuille d’aluminium.

4 7 𝑩𝒆 → 3 7 𝑳𝒊 + +1 0 𝒆 c) La radioactivité β+ Le béryllium est un émetteur β+ qui donne du lithium 7. 4 7 𝑩𝒆 → 3 7 𝑳𝒊 + +1 0 𝒆 ? ? ? ? ? ? Le positon s’annihile avec l’électron en donnant un rayonnement γ. Les particules β+ sont rapidement absorbées dès leur émission.

d) Le rayonnement γ Le noyau fils produit lors des réactions nucléaires est dans un état excité, il est instable (repéré par *). La désexcitation de ce noyau produit alors l’émission de photons γ. L’énergie ou la longueur d’onde de ces photons peuvent être calculés grâce à la formule: 𝑬= 𝒉.𝒄 𝝀 (voir chapitre précédent) Un exemple : Désintégration β- du cobalt 60 : 27 60 𝑪𝒐 → 28 60 𝑳𝒊 ∗ + −1 0 𝒆 Désexcitation du nickel 60 : 28 60 𝑳𝒊 ∗ → 28 60 𝑳𝒊 + 𝜸

Les rayons γ possèdent une très grande énergie Les rayons γ possèdent une très grande énergie. Il est donc nécessaire de s’en protéger.

* Résumé sur les rayonnements radioactifs Equation d’une réaction nucléaire de fission * Lors d’une réaction nucléaire, il y a : Conservation des nucléons : A = A’ + a Conservation des charges : Z = Z’ + z

3. LES DANGERS DE LA RADIOACTIVITE La radioactivité naturelle provient de certains éléments présents dans le sol. Le corps humain peut être soumis aux rayonnements radioactifs soit par irradiation externe soit par contamination (inhalation, ingestion de substances radioactives). Ces rayonnements ionisants provoquent la mort des cellules, des modifications de l’ADN et peuvent conduire à des cancers ou leucémies. Il est donc nécessaire d’évaluer les quantités de rayonnements radioactifs auxquels on s’expose.

a) L’activité L’activité d’un échantillon de matière se note A et se mesure en Becquerel (Bq). Elle correspond au nombre de désintégration par seconde. Ex: 1L d’eau de mer (10Bq) 1 kg de poisson (100Bq) 1kg de granit (1000 Bq) Homme de 70kg (7000 Bq) Source de scintigraphie (37 000 000 à 550 000 000 Bq soit 550 MBq) Source médicale radioactive (100 000 000 000 000 Bq = 100 TBq)

b) La dose absorbée On la note D et elle s’exprime en Gray (Gy). Elle se calcule de la façon suivante : 𝑫= 𝑬 𝒎 D représente la dose absorbée, en Gray (Gy) E représente l’énergie des rayonnements reçus par le corps en joules (J) m est la masse du corps en kilogramme (kg).

c) L’équivalent dose Noté ED, il se calcule de la façon suivante: 𝑬𝑫=𝑫 × 𝑭 𝑸 ED s’exprime en sievert (Sv) D s’exprime en gray (Gy) FQ est appelé facteur de pondération (il dépend du type de rayonnement) L’équivalent dose est utilisé pour fixer les limites règlementaires d’exposition (voir schéma ci-contre).

d) Les règles de radioprotection Se tenir éloigné des sources de rayonnements Disposer d’écrans ou de vêtements de protection Diminuer la durée d’exposition Mesurer et surveiller la dose annuelle reçue

4. DECROISSANCE RADIOACTIVE L’activité d’un échantillon n’est pas constante dans le temps. Elle décroit. On définit la demi-période notée T (ou t1/2) qui correspond à la durée au bout de laquelle l’activité initiale est divisée par 2. On considère qu’au bout de 20 périodes l’activité de l’échantillon est négligeable. La période des radionucléides varie de quelques fractions de secondes à plusieurs centaines de milliards d’années.

Les déchets radioactifs générés par l’Homme doivent être traités Les déchets radioactifs générés par l’Homme doivent être traités. A l’heure actuel il n’y a que le stockage à notre disposition. Ce stockage se fait par vitrification des déchets ou réalisation de colis.