Stage de Pré-Rentrée 2011 Rayonnement et particules Séance préparée par Arnaud CIPPOLINA-MUYL (TSN)

Plan général : L’atome dans le modèle standard – Particules et interactions, – Modèles atomiques Les rayonnements ionisants – Production de rayonnements X – Les désintégrations radioactives α, β, γ et leurs lois Interactions rayonnements / matière – Rayonnements particulaires (α, électrons, protons, neutrons) – Rayonnements électromagnétiques ionisants (photons) Dosimétrie – Unités, dosimétrie externe, dosimétrie interne 2

L’atome dans le modèle standard Particules et interactions : Définition : Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui décrit les interactions forte, faible et électromagnétique, produites par l'ensemble des particules élémentaires qui constituent la matière. 3

L’atome dans le modèle standard – Les particules :Les particules élémentaires du modèle standard sont au nombre de 24 : 12 bosons qui sont les particules de "rayonnement" et qui sont les vecteurs des différentes interactions : – Ex: le photon qui transmet l‘interaction électromagnétique. 12 fermions qui sont les particules de "matière", séparées en deux catégories : – 6 quarks (chargés) qui forment des particules composites : les hadrons – 6 leptons. A chaque particule est associée une antiparticule. 4

L’atome dans le modèle standard – Les interactions : 5 InteractionBOSONCIBLEPORTEE PUISSANCE RELATIVE APPROX FORTE8 GLUONSHADRONS1 fm1 ELECTROMAG NETIQUEPHOTONCHARGEES ∞ 10-3 FAIBLEZ°, W +, W-TOUTES GRAVITATIONGRAVITON ?MASSIQUES ∞ 10-38

L’atome dans le modèle standard – Unités en physique atomique : Energie : électron-volt (eV) – 1 eV = énergie cinétique acquise par un électron accéléré dans le vide sous une ddp de 1 volt – 1 eV = e.V = 1, J Masse : – Unité de masse atomique = u – 1 u = un douzième de la masse d’un atome de carbone 12 : – Au repos: E = m.c² ⇒ m = E/c² en MeV ou MeV/c² 6

L’atome dans le modèle standard Modèles atomiques : 1)Modèle de Thomson : Une masse chargée positivement comprenant des particules négatives (électrons). La résultante est neutre. 2)Découverte de la radioactivité α par H. Becquerel. 3)Modèle de Rutherford: découvert par la conséquence du bombardement de particules α sur une feuille d’or. Certaines particules traversent en étant plus ou moins déviées. Le modèle de Thomson n’est donc plus valide (présence de vide). 7

L’atome dans le modèle standard – Modèle de Rutheford : 8

L’atome dans le modèle standard 9 Notion de défaut de masse : Limites du modèle de rutheford : Electrons en orbite: - mouvement accéléré (circulaire, de période T) - donc apparition d’une onde électromagnétique f=1/T. - donc perd de l’énergie et T diminue ⇒ f augmente L’électron devrait s’écraser sur le noyau car la matière ne serait pas stable et émettre des fréquences continûment variables…

L’atome dans le modèle standard – Modèle atomique de Bohr : Modèle planétaire : les électrons sont sur des orbites Dualité onde-corpuscule: une onde stationnaire leur est associée. Atome hydrogénoïde: E e- = E c + E p = -13,6(Z²/n²) en eV (où n est le niveau de l’orbitale) 10

L’atome dans le modèle standard Atomes polyélectronique: E= -13,6[(Z-σ)²/n²] en eV où σ représente la constante d’écran. (les électrons périphériques ne « voient » pas la même charge du noyau à cause des électrons plus centraux). Limites du modèle de Bohr : – Liées aux inégalités d’Heisenberg (pas de trajectoire, seulement une probabilité de présence). 11

L’atome dans le modèle standard QCM n°1 Généralités sur la matière. a) L’interaction forte concerne toutes les particules élémentaires. b) L’interaction gravitationnelle est la plus intense car explique la rotation de la Terre autour du Soleil. c) La masse d'un atome est majoritairement située dans son nuage électronique. d) Deux isotopes ont même nombre de protons et d’électrons, donc mêmes caractéristiques en termes de radioactivité. e)Les interactions fortes et électromagnétiques expliquent la cohésion de la matière. f)Toutes les propositions précédentes sont fausses. 12

L’atome dans le modèle standard QCM n°2 Dans un noyau, l’énergie de liaison entre les nucléons : a) permet la cohésion du noyau. b) est maximale pour environ 60 nucléons. c) explique pourquoi la masse du noyau est supérieure à la somme des masses de ses nucléons. d) est l’expression des interactions électromagnétiques. e) permet la production de chaleur lors de réactions nucléaires. f) Toutes les propositions précédentes sont fausses. 13

Les rayonnements ionisants Définition : Ils sont capables d’ioniser un électron de la couche K de l’hydrogène donc énergie supérieure ou égale à 13,6 eV. Exemples de rayonnements ionisants = UV, rayons X, cosmiques. Ils brisent les liaisons covalentes et forment des radicaux libres = délétères pour la vie. Utiles en médecine : imagerie, radio-thérapie... 14

Les rayonnements ionisants Production de Rayons X : – Dé-excitation d’électrons atomiques Fluorescence : 15

Les rayonnements ionisants Effet Auger : 16

Les rayonnements ionisants Conversion interne : 17

Les rayonnements ionisants – Freinage d’électrons : Les particule chargées sont décélérées par des interactions électrostatiques avec les nuages électroniques de la cible: émission d’un REM. L’E c (e - ) peut être: - Partiellement ou intégralement fournie à un unique photon (E φ =E c ). - Fournie partiellement ou intégralement à plusieurs photons. - Perdue en partie sous forme de chaleur (lorsque l’énergie est partiellement transmise). → spectre continu de rayonnement. 18

Les rayonnements ionisants 19 – Du fait des ionisations dans le matériau, on retrouve des photons X de fluorescence (caractéristiques du matériau) donnant des raies sur le spectre continu.

Les rayonnements ionisants Désintégrations radioactives : – Définition: La radioactivité est un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques instables (pères) se désintègrent pour donner, d’une part des noyaux atomiques plus stables (fils), et d’autre part de l’énergie sous forme de rayonnement. – Noyau instable si : Z≠N=A-Z ou Z ≥ 84 – À condition : D’un bilan énergétique positif : Ed≥0. De la conservation de la charge, de l’énergie cinétique. 20

Les rayonnements ionisants – 50 isotopes radioactifs naturels, tous les isotopes artificiels sont radioactifs. Classement par interaction impliquée : – Interaction forte : radioactivité alpha (a) – Interaction faible : radioactivité bêta (b) capture électronique – Interaction EM : radioactivité gamma (g) conversion interne création de paires 21

Les rayonnements ionisants Radioactivité α : – Il s’agit de l’émission d’un noyau d’He par un noyau père : – Energie disponible (Ed) : Ed = [ M X-( M Y+ M α)].c² = [MX-(My+Mα)].c² ( M= M + z m e ) – L’Ed se répartit entre l’atome fils Y et la particule α. – Le spectre d’émission (de la particule α) est un spectre d’une seule raie (1 énergie possible). – Réaction possible que si noyau père lourd (A > 150). 22

Les rayonnements ionisants Radioactivité β - : – Il s’agit de l’émission d’un électron : – soit – L’Ed se répartit entre l’électron et l’anti-neutrino de manière aléatoire et continue. Le spectre d’émission (de l’électron) est donc un spectre continu (plusieurs énergies possibles). 23 E d =(M X- M Y).c²

Les rayonnements ionisants Radioactivité β+ : – Il s’agit de l’émission d’un positron et d’un neutrino par un noyau riche en protons : – soit E d =(M X- M Y-2m e ).c² – L’Ed se répartit entre le positon et le neutrino de manière aléatoire et continue. Le spectre d’émission (du positon) est donc un spectre continu. – Réaction possible si (Mx-My).c² > Mev – Le positon émis perd progressivement son énergie par freinage. Il s’annihile alors avec un électron du milieu donnant 2 photons γ de 511 KeV à 180° l’un de l’autre, le spectre photonique est donc composé d’un spectre d’une seule raie. 24

Capture électronique : – Il s’agit de la capture d’un électron du nuage électronique par le noyau selon : – soit E d =(M X- M Y).c²- – Réaction en concurrence avec la désintégration β+ si celle-ci est possible. – Après capture l’atome revient à son état fondamental en émettant un RX ou par émission d’un électron Auger, le spectre photonique est donc un spectre de raies. Les rayonnements ionisants 25

Désintégration γ : – Un radionucléide excité parvient à un état plus stable : – – L’Ed est transférée au photon γ. Le spectre d’émission (concernant le photon) est donc un spectre de raie(s). Les rayonnements ionisants 26

Les rayonnements ionisants Conversion interne : – Lors du retour du noyau métastable (excité) vers un état stable, le transfert d’énergie se fait directement vers un électron qui est alors ionisé. – Cette réaction est en concurrence avec la désintégration γ. Création de paires : – Lors du retour du noyau métastable vers un état stable, si l’énergie disponible est supérieure à MeV, il se peut (mais très rare) que soit créée une paire électron-positron. 27

Loi de décroissance radioactive : – Le nombre de noyaux non encore désintégrés à l’instant t est donné selon : avec : N 0 = nombre de noyau de l’échantillon à t=0 λ = probabilité de désintégration Période radioactive et vie moyenne : – La période radioactive T correspond au temps nécessaire pour observer la désintégration de la moitié des noyaux de l’échantillon (tps de demi-vie). On a : – La durée de vie moyenne τ est : Les rayonnements ionisants 28

Les rayonnements ionisants Activité: – L’activité est le nombre de désintégrations du source par seconde : – Unité S.I : B ecquerel (B q) = 1 désintégration /s – Unité hors S.I : Curie (Ci) = B q 29

Les rayonnements ionisants QCM n°3 Un REM est produit : a) Après une capture électronique. b) Lors d’interaction des neutrons thermiques avec la matière. c) Après une conversion interne. d) Après une désintégration de type β+ dans la matière. e) Après une création de paires. f) Toutes les propositions précédentes sont fausses. 30

Les rayonnements ionisants QCM n°4 Lors de la désintégration du calcium Ca (A=45 et Z=20) de masse atomique = 44, uma en scandium Sc (A=45 et Z=21) de masse atomique =44, uma, l’énergie maximale que peut emporter l’une de deux particules émise est d’environ : A-0,256keV B keV C keV D-0.256MeV E-0.513MeV F-Toutes les propositions précédentes sont fausses. 31

Rayonnements électromagnétiques ionisants (photons) : Généralités : – Le photon: pas de charge électrique, donc l’interaction photon/matière) est un phénomène aléatoire. – Pour un photon, on définit le coefficient linéique d’atténuation μ comme la probabilité d’interaction avec la matière par unité de longueur traversée – On définit l’atténuation d’un faisceau de photons par le nombre de photons du faisceau ayant interagit avec la matière : Interactions rayonnements / matière 32

Interactions rayonnements / matière – Couche de Demi-atténuation : C’est l’épaisseur moyenne nécessaire à l’atténuation de la moitié des photons du faisceau incident : – Absorption : Création de paires : – Matérialisation d’un photon en une paire particule/antiparticule de nature électronique (électron et positon) – Nécessite des photons d’énergie supérieure à l’énergie de masse du positon et de l’électron. 33

EFFET PHOTO-ELECTRIQUE : – ionisation avec absorption de toute l’énergie du photon incident : – Prépondérant dans les tissus biologiques entre 10 et 50 Kev et dans le plomb à moins de 500 KeV. – Responsable du contraste en radiologie ! – Diffusions : DIFFUSION ELASTIQUE THOMSON : – Changement de direction d’un photon sans échange d’énergie entre le photon et la matière. – Important seulement si Ej< 45 keV, donc principalement en mammographie – Application: flou en mammographie. Interactions rayonnements / matière 34

DIFFUSION INELASTIQUE COMPTON : – Changement de direction d’un photon avec transfert partiel de son énergie à un électron qui est ionisé. – La diffusion Compton prédomine dans les tissus biologiques aux énergies supérieures à 50 KeV – Applications : flous en radiologie et scintigraphie. Interactions rayonnements / matière 35

Interactions rayonnements / matière Synthèse sur la prédominance des principaux effets : 36

Interactions rayonnements / matière Rayonnements particulaires (α, électrons, protons, neutrons) : – On distingue : les particules chargées lourdes (trajet en ligne droite) et légères (trajet en « ligne brisée ») qui interagissent avec les électrons de la cible par interaction électrostatique. Les particules neutres qui interagissent de façon aléatoire avec les noyaux de la cible. 37

Dosimétrie Les RX ionisants peuvent briser des liaisons covalentes et donc produire des radicaux libres et dénaturer des molécules : il faut quantifier ce risque. La dose absorbée est l’énergie moyenne cédée / unité de masse. (en Gray = Gy = J/Kg) Effets déterministes (précoces) si > 250 mGy Débit de dose : 38

Dosimétrie En dessous du seuil des effets déterministes, une réparation fautive non létale d’un ADN peut à long terme entraîner un cancer ou une mutation (effets stochastiques ou aléatoires à long terme). La dose absorbée seule est inadaptée pour décrire les effets tardifs des rayonnements ionisants qui dépendent, en plus : – Du type de rayonnement ionisant. – Du type de tissu irradié (jeune, peu différencié, renouvellement rapide). 39

Dosimétrie Dose équivalente H (en sievert) : – Dose absorbée qui prend en compte le type de rayonnement. – La dose absorbée est pondérée par le coefficient d’efficacité biologique relative du rayonnement: Wr – Pour le photon Wr=1 Sv/Gy. 40

Dosimétrie Dose efficace E (en sievert) : -Dose absorbée qui dépend du type de rayonnement et du type de tissu. -C’est un concept visant à ramener une exposition partielle à une exposition totale (corps entier). -C’est la dose équivalente pondérée par le coefficient de sensibilité tissulaire Wt. 41

Dosimétrie Le problème est donc de mesurer ou d’estimer une dose absorbée (la dose efficace en découle, connaissant les organes irradiés) Deux possibilités : – Irradiation interne (ex: ingestion) – Irradiation externe (ex: contamination cutanée) 42

Dosimétrie Irradiation externe : – L’exposition X = charge électrique produite par un faisceau de photons / kg d’air, en Cb/kg – Intérêt : paramètre mesurable au moyen d’une chambre à ionisations 43