INTERACTIONS RAYONNEMENTS MATIERE 1ère partie Pr.H.Boulahdour Année 2007

PENETRATION DES RAYONNEMENTS DANS LA MATIERE Trajectoires des rayonnements déviés sous l’influence des champs électriques intra atomiques ou à l’occasion de collisions avec les particules présentes (e-, noyaux). Interactions successives  perte d’énergie : Absorption Rayonnement  E. De 1 MeV à 10 MeV ( v = 7 000 à 20 000 Km/Sec. Une particule  de 2 charges électriques est fortement absorbée. Trajet en ligne droite car particule de masse élevée (A = 4 et M = 7 000 fois plus que M électrons). A la surface de la peau, l’énergie est absorbée dans les cellules les plus superficielles (couche cornée  cellules mortes). Donc radioprotection simple mais si interne, irradiation forte de la cellule mais pas des cellules éloignées.

Rayonnement  e- ou e+. E. varie de 0 à E max (spectre continu). Ex : 0.018 MeV pour tritium et 6.1 MeV pour fluor. une seule charge électrique ; moins rapidement absorbé ; pénétration plus profonde. Le parcours moyen d’une fraction de micron à quelques millimètres dans les tissus (dépend de l’énergie). La trajectoire est sinueuse surtout en fin de parcours. A la surface de la peau, pénétration jusqu’aux couches profondes de l’épiderme où elle délivre une grande partie de son énergie

Rayonnement gamma (et X) Radiations électromagnétiques (vitesse de la lumière dans le vide). Energie sous forme de corpuscule sans charge et de masse négligeable (photons). Emission mono-énergétique (Ei – Ef = h) caractéristique du radioélément émetteur. Ces particules ( et X) non chargées pénètrent facilement le corps humain. Plusieurs cm de plomb sont nécessaires pour se protéger des rayons . X  Radiodiagnostic ;   Médecine Nucléaire

Neutrons Charge nulle donc insensibles aux champs électriques dans les atomes. Dépôt d’énergie par collision avec les noyaux. Les neutrons traversent aisément les métaux les plus lourds mais sont ralentis par les atomes légers (hydrogènes) donc par le corps humain. Bombe à neutrons

Ionisations et excitations des atomes Ionisation  paire d’ions (e- et ion +). Excitation  noyau excité, instable Energie de liaison des atomes de la matière Pour H  13.6 eV Pour couche K du Ca  4 083 eV Dans un milieu aqueux : un rayonnement d’énergie 32000 eV produit en moyenne 1000 ionisations donc l’énergie moyenne pour provoquer une ionisation est de 32 eV (énergie moyenne par ionisation). Ex : une particule de 1 MeV entièrement absorbée produit Il se produit dans le même temps 100 000 excitations

Les rayonnements Directement ionisants : ,  Indirectement ionisants : X, , neutrons (interaction primaire  ionisations provoquées par la mise en mouvement de particules ; électrons et protons)

TRANSFERT DE L’ENERGIE AU MILIEU Interactions successives  ralentissement de la particule  stabilisation en fin de parcours (E = 0.025 eV). W partie de l’énergie cédée au milieu. W entièrement ou partiellement communiquée au milieu. Si W < E liaison de l’e-  soit énergie d’excitation soit énergie thermique (ici E entièrement absorbée par la molécule. Si W > E liaison de l’e-  ionisation possible, avec

Ec transférée par ionisation, excitation ou transfert thermique Si W < 100 eV, Ec absorbée au voisinage immédiat de l’interaction (grappes d’ionisation) Si W > 100 eV, Ec transférée à distance. W dépendant de la distance. Ces e- éjectés appelés électrons delta forment des grappes d’ionisation en fin de parcours. Au terme du parcours de l’é- : la moitié de l’Ec est transférée sous forme d’ionisations et l’autre moitié sous forme d’excitations ou transferts thermiques.

ABSORPTION DE L’ENERGIE PAR LE MILIEU : DISTRIBUTION SPATIALE DE CETTE ENERGIE Ionisations isolées  répartition Ionisations groupées  hétérogène Dépôts d’énergie Transfert Linéique d’Energie (TLE) Rayonnement alpha TLE élevé car porteur de 2 charges et donc fortement ionisant. Ex : une particule  de 5 MeV du Pu 239 a un trajet en ligne droite de 40 µm. Densité d’ionisation élevée dans un cylindre de 40 µm de long et < 1 µm de diamètre

Rayonnement bêta TLE faible car faiblement ionisant (une seule charge électrique). Un e- de 1 MeV a un trajet d’abord rectiligne puis sinueux. Densité d’ionisation faible sur ce trajet sauf en fin de parcours où grappes d’ionisation

Rayonnement gamma et X Directement ionisant Indirectement ionisant (majorité des ionisations  électrons éjectés avec une grande énergie cinétique

Absorption Effet photo - électrique Effet Compton Matérialisation Donc l’essentiel des ionisations est due aux électrons secondaires

Un photon de 300 KeV  éjection d’1 e- par effet Compton avec une Ec de 100 KeV  directement une ionisation  ≈ 3 000 ionisations sont induites indirectement par l’e- secondaire Le TLE de l’ordre de grandeur de celui des e-. Radiations faiblement ionisantes. Neutrons Indirectement ionisants. Collisions avec les noyaux  90 % sont des collisions élastiques (pour neutrons rapides de 1 MeV cad 10 Km/sec  neutron dévié, Ec communiquée au noyau  noyau devient la particule ionisante. Ec perdue est d’autant plus grande que la masse du noyau est faible (Hydrogène). Les particules ionisantes sont le plus souvent des protons (fortement ionisantes). Le TLE est élevé. Les neutrons peuvent être capturés par les atomes qui deviennent radioactifs

DOSE ABSORBEE ET DISTRIBUTION SUBMICROSCOPIQUE DE L’ENERGIE Dose absorbée (Gray, Gy)  Distribution microscopique  Effet biologique 1 Gy = 1 joule / Kg : Energie moyenne absorbée dans un organe Limites à l’échelon microscopique Energie délivrée non pas de façon homogène mais de façon discontinue par paquets de dimensions submicroscopiques et de densités variables. Exemples Un noyau de quelques µm de diamètre dose de 1 Gy 2 rayonnements différents de TLE ≠

Un dose de 1 Gy absorbée dans un noyau de 10-10 g  20 000 ionisations (2 000 affectent la molécule d’ADN) (ADN = 6 10-12 g). La répartition est ≠ selon le TLE Au voisinage immédiat de la trajectoire de la particule  (TLE élevée) ; densité d’ionisation très élevée. Ionisations ou excitations très dispersée si TLE faible. Grappes d’ionisations déposées à la partie terminale du trajet des e- (dépôts d’énergie de densité élevée dans des volumes submicroscopiques.