Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2ème 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 lorsqu’elle 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.

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

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

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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.

La radioactivité: Le noyau d’un atome est constitué par A nucléons. Ces nucléons sont soumis à deux types de forces ; des forces électrostatiques répulsives agissant entre les protons et des forces attractives d’origine nucléaire agissant entre tous les nucléons et leur conférant une certaine énergie de liaison W. Les trois paramètres A.Z.W définissent un type de noyau. La radioactivité est une transformation spontanée d’un noyau d’un atome qui donne naissance à un rayonnement tout en créant un nouveau noyau différent du premier avec changement, au moins, d’un des paramètres A.Z.W

Pour quelles raisons certains noyaux sont-ils instables ? Pourquoi émettent-ils un rayonnement plutôt qu’un autre ? A quel rythme se désintègrent-ils et pendant combien de temps ? Comment mesure-t-on leur degré de radioactivité ?

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

W/A On appelle énergie de liaison totale E, l’énergie nécessaire pour séparer les noyaux. E/A est l’énergie nucléaire moyenne par nucléon. 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.

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

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)

Re : Rhenium

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

Lois de conservation dans une transformation radioactive + +  A = A’ + A’’ Z = Z’ + Z’’ m(X)c² = m(Y)c² + m(a)c² + ½ m(Y)V²(Y) + ½ m(a)V²(a) + h m (X) = m (Y) + m (a) =

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

DESINTEGRATION  Po polonium; Ra radium; Rn radon

 Spectre monoénergétique américium

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L’atome est plus lourd que l’isotope stable, un neutron se transforme Excès de Neutrons Emission - L’atome est plus lourd que l’isotope stable, un neutron se transforme n  p+ + e-

Si : silicium

Radioactivité - : énergétique de la réaction Conservation de l’énergie Avant la désintégration, Après la désintégration Energies cinétiques Energies au repos Energie totale

Radioactivité - : spectre en énergie

Emission + Défaut de Neutrons P+  n+ e+ Défaut de neutrons : L’atome est moins lourd que l’isotope stable, soit le proton se transforme P+  n+ e+

Radioactivité +: énergétique de la réaction Conservation de l’énergie Avant la désintégration, Après la désintégration Energies cinétiques Energies au repos Energie totale Condition énergétique : Qβ+ > 2méc²

Radioactivité + : spectre en énergie

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

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

beryllium

Capture électronique : énergétique de la réaction Conservation de l’énergie Avant la désintégration, Après la désintégration Energies cinétiques Energies au repos Energie totale

Exp. 201Tl (z=81)

Réarrangement électronique : Désexcitation de l’atome (EL – EK) -WM

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

: Émission gamma : 

DESEXCITATION 

  10-10 à 10-13 m Origine : le noyau E  100 keV à 10 MeV Onde électromagnétique Origine : le noyau   10-10 à 10-13 m E = k. c /  (Einstein, 1905) E (eV) = 12400 /  (Å) Photon (c = 3.108 m/s) H = 6.63.10-34 J.s) E  100 keV à 10 MeV

Conversion interne : transformation non radiative Transfert de l’énergie libérée par la transition vers le cortège électronique où un électron (K, L ou M…) peut être éjecté.  - émission d’électron éjectés avec E = E t -El - émission de rayon X - émission d’électron s Auger Réarrangement du cortège électronique Conversion interne : transformation non radiative

Noyau : ce qu’il faut retenir Z protons + N neutrons = A nucléons W = l’énergie de liaison =  m.c2 Etats excités - retour à l’état fondamental par émission de rayons  ou d’électrons de conversion interne Ligne de stabilité - retour à la stabilité par désintégration radioactive

- ; + 99Mo  99mTc + β- 18F  18O + β+ 99mTc  99Tc +  - ; + 99Mo  99mTc + β- 18F  18O + β+ Actinium, barium

radioactivité CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES 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

T0 t1 t2 ti

dN = -  N dt

dN = -  N dt Log N = -t + Log N0 N = N0 e-t

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L’activité : A A = +N  A = A0 .e-t C’est le nombre désintégrations d’une source par unité de temps : A = +N  A = A0 .e-t Unité : Becquerel = 1 désintégration / seconde Ancienne unité : 1Curie = 3.7.1010 Bq  activité de : 1 g Radium 226

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

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Filiation radioactive 0 T t

Filiation radioactive 

Exp: 99Mo (T1=66h) - 99mTc(T2=6h) A2(t) = On a T1>>T2  1 << 2 Lorsque t  T2, Les éléments 1 et 2 sont dits en équilibre de régime  A2(t) tend vers A1(t)

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Période biologique et période effective 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 :      1            1          1     ------  =    ------  +  ------      Te           T         Tb qui est le temps nécessaire pour que la moitié de la quantité d'une substance introduite dans un organe en soit éliminée.

Radionucléide  Organe cible  T  Tb Te 31H  organisme entier  12 ans  10 jours  13153I  thyroïde  8 jours  140 jours  7,6 jours  23994Pu  os  24400 ans  200 ans