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

1. LE NOYAU ATOMIQUE

- Taille par rapport à l’atome : r atome  10-10 m r noyau  10-15 m - Constituants du noyau : nucléons. p+ = charge +, masse = 1,673 10-27 kg nombre : Z, (= nombre d’e- de l’atome) n = charge = 0, masse = 1,675 10-27 kg nombre : N nucléide : A = N + Z (A : nombre de masse, Z : numéro atomique) rayon du noyau  proportionnel à A1/3 notation du nucléide A(Z)X(N)  exemple : 23592U143

Nucléides isotopes : même Z 31H2 21H1 : 0,015 % abondance isotopique identique pour tous les échantillons naturels d’un élément. 11H0 : 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 qu’ils ont été formés lors de la création de l’univers comme 23290Th, 23892U ou 23592U qui mettent des milliards d’années à se désintégrer, ou qu’ils sont produits lors de leur désintégration . soit parce qu’ils sont créés en permanence par interaction des rayons cosmiques avec les gaz de l’atmosphère comme 31H ou 146C. - artificiels, tous instables, créés par réaction nucléaire (bombardement)

Nucléides isobares = même A Exemple isobare de A = 60 6026 Fe34 6030 Zn30 6027 Co33 6029 Cu31 6029 Ni32 stable Exemple isobare de A = 135 13552 Te83 13553 I82 13554 Xe81 13558 Ce77 13555 Cs80 13557 La78 13556 Ba79 stable

Nucléides isotones = même N exemple ici N = 14 2410 Ne14 2511 Na14 2612 Mg 14 2713 Al 14 2814 Si14 ... Nucléides isomères = même A, Z, N énergie interne différente 142 keV 99mTc 0 99Tc

Masse du noyau, E de cohésion. Généralement Mnucléide  Z Mproton + (A - Z)Mneutron DM = Z Mproton + (A - Z) Mneutron - Mnucléide El = DM C2 énergie de liaison. Forces de cohésion qui diminuent très vite quand r augmente.

Unités pratiques : - énergie : eV (keV, MeV) ; 1 eV = 1,6 10-19 J - masse : unité de masse atomique l u = 1/12 masse 126 C Masse atomique molaire : 12 g d ’où 1 u = 1 12.10-3 = 1,66.10-27 kg 12 N 1 u = 931,5 MeV / C2

Masse des constituants de l’atome. u MeV / C2 n 1,00866 939,573 p 1,00727 938,279 e 5,486 10-4 0,511

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

2. LA RADIOACTIVITE LES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES

Nucléides lourds - Fission - Emission  AZX  A-4 Z-2Y + 42He++ particule  avec Ec Particules  Ec  4 - 10 MeV. Parcours dans l’eau  0,03 mm. Danger : ingestion, inhalation. Application médicale : radiothérapie de contact. Y peut être instable : « familles » radioactives.

Nucléides avec excès de neutrons : transformation isobarique b- 10n  11p + 0 -1e- +  AZX  A Z+1Y + 0-1e- +   Le spectre en énergie de la particule b- est continu, des énergies faibles jusqu’à un maximum : il y a partage de la DE entre l’électron et un antineutrino. Parcours dans l’eau : quelques millimètres. Danger : ingestion mais aussi contamination externe Application médicale : radiothérapie interne (131 I, 90 Y …) Y peut être instable (radioactif a ou b-) ou excité (Y*), donnant alors lieu à une transformation isomérique.

Nucléides avec excès de protons. Transformation p  n - émission b+ 11p  10n + 01e+ + 00 spectre b+ continu, partage de DE - 1,02 MeV. donc DE  1,02 MeV pour que la transformation soit possible. Lorsque le b+ a perdu son énergie cinétique, il se dématérialise 01e+ + 0-1e-  2 00  Deux photons de dématérialisation E = 511 keV Les 2 photons de dématérialisation sont antiparallèles. AZX  AZ-1Y + 00 + 01e+ (polyénergétique) + 2 00  (monoénergétiques) Parcours dans l’eau des b+ : quelques millimètres. Danger : contamination externe et interne par b+ mais aussi irradiation externe par les photons de dématérialisation. Application médicale : TEP

hn - Capture électronique (généralement couche K) : possible sans seuil de DE 11p + 0-1e-  10n + 00 AZX  AZ-1Y +00 Emission de photons X de fluorescence du fait de la vacance électronique (cf fig.). Ehn = EK - EL = (EK - EM) + (EM - EL)... et/ou d’électrons 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 l’eau très court (ordre du µm). e-

Un nucléide peut-il se désintégrer selon les 3 modes isobariques 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 l. Exemple isobare de A = 106 10643 Tc63 10644 Ru62 10650 Sn56 10645 Rh61 10647 Ag59 10649 In57 10646 Pd60 10648 Cd58 stable stable 10647 Ag59 a Z et N impairs, il n’est 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 : b- vers 106Cd, b+ ou CE vers 106Pd.

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

- Conversion interne : DE confiée à un électron du cortège - Conversion interne : DE confiée à un électron du cortège. Intervient concurremment à l’émission gamma hn e- Suivie de : - émission de photons X de fluorescence - ou émission d’électrons Auger

Quantitativement : Chaque noyau d’un radionucléide donné a une probabilité par unité de temps de se désintégrer, sa « constante radioactive », inverse d’un temps et que l’on 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) = N0e- t où N0 est le nombre d’atomes à t = 0 La période radioactive T : t = T pour N = N0 / 2 => T = ln 2 /  L’activité : 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 , l’activité d’un échantillon dépend donc de la nature et aussi de la masse du radionucléide dans l’échantillon. Il y a également une diminution exponentielle de l’activité avec le temps: A =  N d’où A(t) = A0e- t ou A(t) = A02 - t /T

Filiations radioactives Lorsque le radionucléide père se désintègre en un radionucléide fils qui est lui aussi radioactif, deux cas sont intéressants à considérer : l’équilibre de régime où l1 du père < l2 du fils ( T1 > 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 99Mo/99mTc 99Mo -> 99mTc + 0-1e- +  avec T = 67 h 99mTc -> 99Tc + g avec T = 6h Le générateur, initialement rempli de 99Mo, se charge en 99mTc que l’on peut récupérer par séparation chimique tous les jours ; l’activité de 99mTc est sensiblement égale (un peu >) à celle du 99Mo présent à cet instant dans le générateur. l’équilibre séculaire où l1 du père << li des fils ( T1 >> Ti), l’activité de chacun des radionucléides fils est égale à celle du père.

La radioactivité et le vivant : période efficace Lorsqu’un 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 lp l’élimination biologique (urine, féces, sueur, air exhalé …) dont la « probabilité » par unité de temps est lb. La « probabilité » totale de disparition par unité de temps est le = lp + lb. On peut aussi exprimer les périodes correspondantes, en unités de temps ( T = ln 2 / l), 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 l’irradiation est faible (pas forcément vrai pour Tp).