Radioactivité Pr E. Garin Service de Médecine Nucléaire   Radioactivité Pr E. Garin Service de Médecine Nucléaire Centre Eugène Marquis/ Université Rennes 1

Plan du cours Introduction Structure du noyau   Introduction Structure du noyau Cinétique des transformations radioactives -       constante radioactive/période -       cinétique des filiations radioactives Principales transformations radioactives -       Emission alfa - Emission beta – - Emission beta + - Capture électronique

Introduction Radioactivité : déséquilibre des forces internes du noyau entrainant l’émission de rayonnement ionisant Radioactivité naturelle découverte en 1898 par Becquerel Radioactivité artificielle découverte en 1934 par I et F Joliot-Curie Nombreuses applications diagnostiques et thérapeutiques  

Structure du noyau Constitué de nucléons: protons: charge positive neutron: neutre Nombre de masse A= nb proton + nb de neutron Numéro atomique Z= nb de proton Z conditionne la nature chimique et le nom de l’atome Notation: AzX

Propriétés chimiques quasi identiques Ex : Isotopes= atomes de numéro atomiques identiques mais de nombres de masse différents Noms identiques Propriétés chimiques quasi identiques Ex : 13153I (78 neutrons) = radioactif 12353I (70 neutrons) = radioactif 12753I (74 neutrons) = stable Isobares= atomes de nombres de masse identiques Isotones = atomes de nombres de neutrons identiques

Forces nucléaires/Etats énergétique Forces électrostatique de répulsion des protons entre eux Force d’attraction des nucléons entre eux Radioactivité = déséquilibre entre ces différentes forces Le même noyau peut être présent sous différents états énergétique: Etat fondamental, AX = état énergétique minimal d’un atome (pas forcément stable) Etats excités, AX*= très instables, durée vie très brève (10-12 s) Etats métastable, AmX =instable, durée vie >10-12 s à qq heures, ex: 99mTc

Les 275 noyaux stables sont répartis le long d’une droite: Zone A = Vallée de la Stabilité Zone B = excès de protons Zone C = excès de neutrons Les 275 noyaux stables sont répartis le long d’une droite: - N= Z pour les noyaux légers - N= 1.5 Z pour les noyaux lourds Tous les noyaux de masse atomique > 209 sont instables

Cinétique des transformations radioactives Constante radioactive La constante radioactive l est la probabilité de désintégration radioactive pendant le temps Dt Evolution d’une population d’atome radioactifs : N (t) = N0 e –lt Où N (t) = nb d’atome persistant (non désintégré) au bout du temps t N0= nombre initial d‘atomes l= constante radioactive (s-1) Période radioactive T = temps au bout duquel 50% des atomes se sont désintégrés N (T) = N0/2 => T = (ln 2) / l

et A( t) = A0 e-lt Activité Par définition l’activité « A » correspond au nombre de désintégrations radioactives par unité de temps A (t) = l N (t) et A( t) = A0 e-lt N(t)= nombre d’atome radioactif présents à l’instant t Unité = becquerel : 1 Bq = 1 désintégration/seconde Ancienne unité : curie (activité d’1g de radium) et 1 mCi= 37MBq

Cinétique des filiations radioactives Cas où un élément radioactif « père » d’activité A 1(t) et constante radioactive l1 se désintègre en un atome « fils » également radioactif d’activité A 2(t) et constante radioactive l2 Si on considère qu’à l’instant initial A 1(0) = A0 1 et A 2(0) = 0, alors A 1 (t) = A0 1 e-l1t et A 2( t) = A 1 (t) . (l2/(l2-l1)).(1- e(l1-l2)t)

Filiation radioactive, cas général A 1 (t) décroit de façon exponentielle A 2 (t) croit jusqu’à une valeur maximale puis décroit parallèlement à A 1 (t) Le maximum de A 2 (t) est obtenu pour le temps t= (lnl2 – lnl1)/ (l2-l1) et A 1 (t) = A 2 (t)

Exemple de filiation classique Utilisée pour la production de 99mTc dans les services de médecine nucléaire pour les examens scintigraphiques avec un générateur 99Mo/99mTc

Exemple de filiation particulière Si T1>>T2 ou l1<<l2 => A 1 (t) # constante # A0 1 => A 2( t) = A 0 1 . (1- e(l1-l2)t), elle augmente jusqu’à atteindre celle de l’élément père = équilibre séculaire Ex: Radium-Radon-Polonium TRa= 1620 ans, TRn= 4,2j 22688Ra  22286Rn  21884Po Temps

Les principales transformations radioactives L’émission de particule a Une particule a est constituée d’un noyau d’hélium comportant 2 protons et 2 neutrons, c’est une particule chargée (2+) AzX  A-4z-2Y + 42H L’élément Y produit peut être stable ou radioactif L’émission a survient pour des noyau lourd de la zone A (excès de neutrons

Emission b- La particule b- est un électron porteur d’une charge négative Une particule b- est produite par la transformation d’un neutron en proton: n  p+ + b- + n- n-= antineutrino= particule neutre de masse nulle qui interagie peu avec la matière AzX  Az+1Y + b- + n- L’excès d’énergie se répartie entre le b- et l’ n- L’élément fils peut être stable ou radioactif : forme excité ou métastable avec retour à un état stable par émission g ou conversion interne (transfert de l’énergie nucléaire sur un électron orbital qui est éjecté)

L’émission b- intéresse les noyaux ayant un excès de neutrons (zone C) L’énergie du peut prendre des valeur continue de 0 à E b- max La valeur moyenne de l’émission d’un noyau est : E b- moy= E b- max / 3

Emission b+ La particule b+ est un électron porteur d’une charge positive Une particule b+ est produite par la transformation d’un proton en neutron: p+  n + b+ + n n= neutrino= particule neutre de masse nulle qui interagie peu avec la matière AzX  Az-1Y + b+ + n L’excès d’énergie se répartie entre le b+ et le n

L’émission b+ intéresse les noyaux ayant un excès de protons (zone B) L’élément fils peut être stable ou radioactif (forme excité ou métastable avec retour à un état stable par émission g ou conversion interne) Réaction d’annihilation du positon avec la matière

Capture électronique Le noyau capture un électron de la couche K ou L qui va se combiner avec un proton pour former un neutron AzX + e- Az-1Y + n Concerne les éléments instable avec excès de proton (zone B) Eléments légers de la zone B = Emission b+ Eléments lourds de la zone B = Capture électronique L’élément fils peut être stable ou radioactif (forme excité ou métastable avec retour à un état stable par émission g ou conversion interne)

Fission nucléaire Fragmentation de noyaux très lourds aboutissant le plus souvent à la formation de deux noyaux également radioactifs Abouti également souvent à l’émission de neutrons ----- --- -