Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2ème année Médecine Année universitaire 2012-2013

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

B=comptage de la forme liée Elles ont en médecine et en biologie plusieurs applications. La plus courante est l’utilisation des RX en radiodiagnostic : l’atténuation différente des RX selon la nature des milieux traversés permet de réaliser une image des organes internes qui permet leur examen. La seconde, dans l’ordre de l’importance pratique, est l’utilisation des isotopes radioactifs. Par les rayonnements qu’ils émettent, ils peuvent être détectés au sein de l’organisme ; on peut étudier le volume qu’ils occupent, les mouvements qu’ils subissent et obtenir ainsi des renseignements sur les caractéristiques morphologiques ou fonctionnelles de nombreux organes ou systèmes physiologiques. Les radiations ont des effets biologiques qui sont applicables en thérapeutique. Le plus courant de ces effets est la destruction cellulaire, qui peut être rendue relativement sélective ; la radiothérapie est le mode essentiel du traitement de nombreux cancers. Les effets biologiques des radiations sont aussi à l’origine d’une pathologie particulière dont l’importance croît avec le développement médical et industriel de l’utilisation des radiations. Enfin, les radiations représentent un instrument d’étude indispensable dans de multiples domaines de recherche, tout particulièrement en biochimie, physiologie et biologie cellulaire. Elles permettent l’analyse de phénomènes à une échelle beaucoup plus petite et avec une précision très supérieure à celle des autres techniques. L’importance actuelle des radiations et les perspectives de leur développement imposent au médecin et au biologiste de connaître les principes de leurs utilisations.

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

Matière et énergie GRANDEURS ET UNITES STRUCTURE DE L’ATOME CORTEGE ELECTRONIQUE NOYAU Nucléons Nucléides RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES DEFINITION PROPRIETES SPECTRE

Matière et énergie GRANDEURS ET UNITES STRUCTURE DE L’ATOME CORTEGE ELECTRONIQUE NOYAU Nucléons Nucléides RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES DEFINITION PROPRIETES SPECTRE

E = mc² E : énergie en joule GRANDEURS ET UNITES Unité de masse atomique : 1 u.m.a. = g = 1,66 10-24g Énergie : électron-volt (eV) 1 eV = 1,6.10-19 C x 1 V = 1,6.10-19 J ( keV, MeV) Équivalence masse - énergie E = mc² E : énergie en joule m : masse en kg c : vitesse de la lumière dans le vide = 3.108 ms-1 1 uma = 1,66 . 10-27 x (3 . 108 )² = 1,494 . 10-10 J = 1,494 . 10-10 / 1,6.10-19 = 931,4. 106 eV = 931,4 MeV

Matière et énergie GRANDEURS ET UNITES STRUCTURE DE L’ATOME CORTEGE ELECTRONIQUE NOYAU Nucléons Nucléides RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES DEFINITION PROPRIETES SPECTRE

Du macroscopique au microscopique STRUCTURE DE L’ATOME Corps pur constitué d’atomes de Fe Corps composé : la molécule d’eau est constituée de 2 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène H2O Du macroscopique au microscopique L’atome est constitué d’un noyau autour duquel gravitent un nombre Z d’électrons. La taille du noyau est de l’ordre du fermi ( 1 fermi = 10-1 3 cm), elle est très petite par rapport aux dimensions de l’atome qui est de l’ordre de l’Angstrom ( 1 Å = 10-8 cm). La masse des électrons est relativement faible et le noyau contient pratiquement toute la masse de l’atome. La densité de la matière nucléaire est énorme, elle est de l’ordre de 100 millions de tonnes par cm3.

Atome : environ 10-10 m noyau Espace occupé électron par les électrons Neutron Proton Noyau : environ 10-15 m

CORTEGE ELECTRONIQUE La masse d’un électron au repos m0= 9.10-31 kg = 0,000 548 uma = 0,511 MeV Les électrons gravitent à différentes distances du noyau, Couche ni de niveau énergétique i Ei = - 13,6 Z²/ni² Énergie de liaison Wi = - Ei = 13,6 Z²/ni² -Ze +Ze r1 r2 N M L K n=4 n=3 n=2 n=1

État fondamental et état excité de l’atome Configuration telle que l’énergie de liaison est maximale à la suite d’une ionisation ou excitation ou désintégration radioactive, l’atome peut être dans un état excité Etat excité N M L K Perturbation é éjecté

Désexcitation de l’atome (EL – EK) -WM = -13,6Z²/2² - (-13,6Z²/1²)

En résumé Ionisation de la couche K : Processus de désexcitation :  Ionisation de la couche K :  Auger  Electron Auger : EAuger = (EK – EL) – Eliaison M EL – EK- X Processus de désexcitation : Emission X : Ex - h - EL - EK L M K e- P+ Photons de fluorescence ou raie X caractéristique

NOYAU X Rnoyau = r0.A1/3 avec r0 = 1.3 fm A Z P+ Electron Atome Noyau atomique 10-10 m 10-15 m 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 Rnoyau = r0.A1/3 avec r0 = 1.3 fm X A Z

Nucléons Le proton Le neutron ou p : ion H ou H+ Le proton est stable à l’état libre, dans certaines conditions énergétiques, le proton peut se transformer en un neutron et un électron positif. Charge = + 1,602⋅10-19 C Masse = 1,6726⋅10-27 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 = 1,6748⋅10-27 kg = 1,0087 u.m.a. = 939,51 MeV Le proton a pour symbole ou plus simplement p, ce n’est autre que le noyau de l’atome hydrogène ou atome d’hydrogène ayant perdu l’électron : ion H ou H+ Le proton est stable à l’état libre (hors du noyau). Dans certaines conditions énergétiques, qu’on verra plus loin, le proton peut se transformer en un neutron et un électron positif. Sa charge = + 1,602⋅10-19 C (coulomb) Sa masse = 1,6726⋅10-27 kg = 1,0074 u.m.a = 938,21 MeV Le neutron Le neutron a pour symbole ou plus simplement n. Sa charge est nulle, sa trajectoire n’est donc pas modifiée par un champ électrique et magnétique. Sa charge nulle facilite sa pénétration à l’intérieur des noyaux et en fait un projectile de choix pour les réactions nucléaires, mais rend par contre impossible son accélération par les champs électriques. Hors du noyau, le neutron est radioactif : il se désintègre en un proton et un électron négatif. Sa masse = 1,6748⋅10-27 kg = 1,0087 u.m.a. = 939,51 MeV

Proton = uud Neutron = ddu 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

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

Défaut de masse Considérons un noyau d’hélium 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. somme des masses des particules isolées : 4,032 u.m.a. masse réelle du noyau d’hélium : 4,002 u.m.a. Par rapport aux particules qui le constituent, le noyau d’hélium présente donc un défaut de masse : m ou E m = 4,032 – 4,002 = 0,03 u.m.a. E = m⋅c2 E = 0,03⋅10-3⋅ 6,023.1023 1,66. 10-27 (3⋅108)2 . = 2,7⋅1012 J/mol 4He

Défaut de masse et énergie de liaison Mnoyau < Z.mp + N. mN Mnoyau < Z.mp + N. mN - m Mnoyau .c2 = (Z.mp + N. mN - m).c2 Mnoyau .c2 = (Z.mp + N. mN).c2 .W W = (Z.mp + N. mN – Mnoyau).c2 B : Énergie qu’il faut dépenser pour séparer les nucléons d’un noyau. C’est ce qu’on appelle énergie interne ou de liaison : W W/A : Énergie moyenne par nucléon dans un noyau W

Nucléides Les isotopes : nucléides avec même numéro atomique Z, Exp. Isotopes de l’iode :123I, 125I, 127I, 131I Les isobares : nucléides avec même nombre de masse A, Exp. 131I et 131Xe Les isotones : nucléides avec même nombre de neutrons N Exp. 3H et 4He 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. 99mTc et 99Tc On appelle nucléide une réalisation déterminée de noyau, formée par l’association d’un nombre caractéristique de protons et de neutrons.

Matière et énergie GRANDEURS ET UNITES STRUCTURE DE L’ATOME CORTEGE ELECTRONIQUE NOYAU Nucléons Nucléides RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES DEFINITION PROPRIETES SPECTRE

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 = 6.625.10-34 J.s) Relation de Duane et Hunt E(eV) =

E=h Taille de l’onde Nom commun de l’onde Sources Fréquence (M2) Longueur d’onde (M) Un spectre est la décomposition d'un rayonnement en fonction de son énergie. Un spectre électromagnétique est la décomposition d'un rayonnement électromagnétique en fonction de l'énergie de ses photons, ou, de manière équivalente, de sa longueur d'onde, ou de sa fréquence. Pour des raisons historiques, les ondes électromagnétiques sont désignées par différents termes, en fonction des gammes de fréquence (ou de longueur d'ondes). Par longueur d'onde décroissante, ce sont : les ondes radio et les ondes radar sont produites par des courants électriques haute fréquence ; les ondes infrarouges, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet sont produits par des transitions électroniques dans les atomes, concernant les électrons périphériques, ainsi que par le rayonnement thermique ; les ondes ultraviolettes ont des effets sur la peau (bronzage, coups de soleil, cancer de la peau) ; les rayons X sont produits lors des transitions électroniques. Ils sont par exemple générés par radioactivité (photons de fluorescence émis lors de la réorganisation du cortège électronique d'un atome), par freinage d'électrons (tube à rayons X) ou par rayonnement synchrotron (par déviation de faisceau d'électrons relativistes). Du fait de leur faible longueur d'onde, ils diffractent sur les cristaux ; les rayons X durs correspondent à des photons de plus haute énergie, et les rayons X mous à des photons de plus faible énergie ; le rayonnement γ est produit lors de la désexcitation d'un noyau. Ils sont donc en particulier émis par les matériaux radioactifs et les réacteurs nucléaires.

Energies et longueurs d’onde des photons Photon de freinage raies  (spectres nucléaires) Spectre visible raies X caractéristiques ( spectres atomiques) Energies et longueurs d’onde des photons Diamètre atomique Diamètre nucléaire eV  1µ 0.1µ 0.01µ 10Å 1Å 0.1Å 0.01Å 10-3Å 10-4Å 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109

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. Tout corps à une température supérieure à 0 kelvin (zéro absolu, soit -273,15°C) émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique ; Un corps qui reçoit un rayonnement électromagnétique peut en réfléchir une partie et absorber le reste. L'énergie absorbée est convertie en énergie thermique et contribue à l'augmentation de la température de ce corps ; Une particule chargée de forte énergie émet un rayonnement électromagnétique : quand elle est déviée par un champ magnétique : c'est le rayonnement synchrotron ; ce rayonnement synchrotron est utilisé comme source de rayons X pour de nombreuses expériences de physique et de biologie (lignes de lumières autour d'un synchrotron) ; lorsqu'elle pénètre dans un milieu différent : c'est le « rayonnement continu de freinage » ; L'absorption d'un photon peut provoquer des transitions atomiques, c'est-à-dire d'exciter un atome dont l'énergie augmente par la modification de l'orbitale d'un de ses électrons ; Lorsqu'un atome excité revient à son état d'énergie fondamental, il émet un photon dont l'énergie (et donc la fréquence) correspond à une différence entre deux états d'énergie de l'atome ; Dans le même domaine du spectre électromagnétique, les photons sont capables de former des paires électron-trous dans les semi-conducteurs (principe des CCD). En se recombinant, l'électron et le trou émettent de la lumière (principe des diodes) ; Les réactions nucléaires, comme celles de fission, de fusion et de désintégration, s'accompagnent souvent d'une émission de photons de grande énergie appelés rayons γ.