L3 IUP Ingéniérie de la Santé 2009

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1 L3 IUP Ingéniérie de la Santé 2009
Radiobiologie L3 IUP Ingéniérie de la Santé 2009

2 Rappels sur la physique des rayonnements ionisants
Interaction des rayonnements ionisants avec la matière et notion de dose Radiobiologie et radiopathologie Radioprotection

3 Rappels sur la physique des rayonnements ionisants 1- Structure de la matière
Atome Electrons Nucléons : protons et neutrons Leptons Baryons 3 Quarks Neutrinos

4 2-Les particules élémentaires et les différentes interactions
6 leptons et 6 quarks Ils portent une charge. A chaque particule correspond son antiparticule (antimatière) de charge opposée.

5 Les différentes interactions
Interactions par l’intermédiaire de vecteurs Électro-faible Gravitation Electromagnétique Faible Forte Vecteur Graviton Photon Bosons W+, W-, Z° Gluons Agit sur Toutes les particules Partic Chargées Leptons nucléons Quarks, nucléons Importance relative 10-40 10-2 10-5 1 Portée Infinie Infinie en théorie < 10-15m

6 3- Equivalance masse : énergie
A toute particule correspond une énergie de masse au repos Eo Eo = moC2 (Particules en mouvement E = moC2 + Ec) Pour l’électron mo = 0,5486 uma Eo=0,511Mev 1uma = 10-3 Kg / N (nombre d’Avogadro)

7 4- Le cortège électronique de l’atome 4-a) Les électrons, particules élémentaires
L’électron porte une charge négative (-1, C) égale en valeur absolue à celle du proton qui porte une charge positive Les électrons décrivent autour du noyau des orbitales dont les niveaux énergétiques sont quantifiés. Chaque orbitale occupe un niveau discret caractérisé par le nombre quantique principal: n, le nombre quantique du moment angulaire: l, le nombre quantique magnétique: m et le nombre quantique de spin: s (+ ou -1/2 ) Energie de liaison d’1 électron :

8 4- Le cortège électronique de l’atome 4-b) Absorption et émission d’énergie par le nuage électronique de l’atome 4 mécanismes d’échanges énergétiques au niveau de la structure électronique de l’atome 1) absorption d’énergie : ionisation excitation 2) émission d’énergie : fluorescence et émission de RX émission d’électrons Auger

9 4-b-1 Absorption d’énergie
Ionisation Excitation è (Ec) è hn hn Wl initiale > Wl finale

10 4-b-2- Emission d’énergie : fluorescence et effet Auger
Un atome excité se trouve dans un état instable. Le retour à l’état fondamental stable se fait en émettant de l’énergie (restitution de l’énergie absorbée antérieurement). hn= E1 - E2 E2 E1

11 4-b-2 Emission d’énergie
Transitions électroniques, RX Ionisation sur une couche électronique profonde retour à l’état fondamental par une cascades de transitions électroniques . Une série de photons sont émis : les RX. Seules certaines transitions électroniques sont permises. Les RX émis sont caractéristiques de l’atome. Effet Auger, électrons Auger après ionisation sur une couche profonde. L’énergie émise lors du retour à l’état stable va être directement communiquée à un électron lié par une énergie inférieure à celle de la transition; cet électron est alors éjecté = électron Auger.

12 4-b-2 Emission d’énergie
Émission de RX Seules certaines transitions sont permises hn=RX Vacance d’élec Élect Auger Émission d’électron Auger Pas d’interdiction

13 4-b-2 Emission d’énergie
Rendement de fluorescence : w 1 Z

14 5- Le Noyau 5-1- Structure AZXN Constitué de nucléons.
Nucléons = protons et neutrons (dimension de l’ordre de 10-15m.) Neutrons Masse = 939,55Mev/C2 3 quarks : u, d, d Charge = 0 Instable : 10n 11H + -1è Protons Masse = 938,36Mev/C2 3quarks : u, u, d Charge = +1 Stable isolé

15 5-2 Energie de liaison nucléaire
La cohésion du noyau est due principalement à l’interaction forte (portée 10-15m, entre nucléons, indépendamment de la charge) L’interaction EM diminue la cohésion, sensible pour les noyaux lourds L’interaction faible est de faible importance. Elle explique certaines désintégration radioactives

16 5-2 Energie de liaison nucléaire
Défaut de masse: B = énergie de liaison des nucléons entre eux. B= [ masse des protons +  masse des neutrons] - [Masse Noyau] *C2 Énergie de liaison par nucléon : B/A ( de 1 à 8,5Mev). Plus B/A est élevée, plus le noyau est stable.

17 Énergie de liaison par nucléon B/A des noyaux de la nature
60 100 200 B/A (Mev) 4 8 Énergie de liaison par nucléon B/A des noyaux de la nature Allure de la courbe, qui passe par un maximum pour les noyaux intermédiaires, noyaux les plus stables (les plus liés) 4 4 A

18 6- Les Isotopes Dans la nature : 90 éléments 81 sont stables de 1H à 83Bi au milieu 2 sont artificiels, 43Tc et 61Pm 9 sont des radioéléments naturels de 84Po à 92U le 92U est le dernier élément naturel Éléments artificiels : les transuraniens (~~19) + 43Tc et 61Pm

19 7- Stabilité et instabilité nucléaire
Les noyaux instables = noyaux radioactifs ou radionucléides Désintégration = transformation nucléaire où le Z change, donc la nature chimique de l’élément fils est différente de celle du père. Transition nucléaire = seule la nature énergétique du noyau varie, la nature chimique n’est pas modifiée. Le noyau résultant d’une désintégration ou d’une transition nucléaire peut être stable ou radioactif.

20 7- Stabilité et instabilité nucléaire
Les noyaux stables se répartissent sur « la vallée de stabilité » de la courbe N (nombre de neutrons) = f(Z, nombre de charges). Les noyaux trop lourds, Z > 82 sont instables et se désintègrent en émettant une particule a (noyau de 4He). Les noyaux qui ont trop de neutrons se désintègrent par émission b- Les noyaux qui ont trop de protons se désintègrent par émission b+

21 Diagramme N=f(Z) des nucléides stable (« vallée de stabilité »)
Émission a N Diagramme N=f(Z) des nucléides stable (« vallée de stabilité ») Émission b- Émission b+ 25 25 Z

22 8-Radioactivité naturelle
Due aux 3 familles de radionucléides naturels. Ces familles radioactives étaient présentent au moment de la formation de la terre Les chefs de file de chaque famille donnent leur nom à leur famille. Ce sont : 238U (T1/2 : 4,5 109 ans); 235U (T1/2 : ans) et 232Th (T1/2 : ans). Ces 3 radionucléides donnent les 3 familles radioactives qui aboutissent comme derniers descendants aux isotopes du Pb respectivement : 206-Pb, 207-Pb et 208-Pb.

23 9- Radioactivité artificielle
Tous les éléments après 92U sont artificiels auxquels s’ajoutent le 43Tc et le 61Pm. Actuellement un grand nombre de radionucléides peuvent être produits soit à des fins de recherches soit à des fins médicales. Les radioéléments artificiels ou les radionucléides artificiels sont produits dans des réacteurs nucléaire (fission), dans des accélérateurs ou dans des cyclotrons; ils sont le produit d’une réaction nucléaire provoquée entre un noyau cible et un rayonnement projectile.

24 8-Radioactivité naturelle
Éléments naturels hors familles : Radionucléides isolés et d’activité très faible, principalement: Le 40K très répandu en faible teneur (0.0119% du K naturel) , émetteur b- et g, période de ans. Le 87Rb (rubidium) abondant dans certains minéraux (27,85% dans le Rb naturel), émetteur b-, période de ans.

25 10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Désintégration b-
Noyaux trop riches en neutrons Un neutron se transforme en proton et un électron et un anti-neutrino sont éjectés. Le rayonnement b- est constitué de fait d’un électron et d’un antineutrino de l’électron pour chaque désintégration. Le spectre d’énergie de l’électron émis est continu (l’énergie de la transformation se distribuant entre l’électron et son anti-neutrino). Équation de désintégration : AZX AZ+1Y + -1è +ne 60Co Ni +-1è +ne

26 10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Désintégration b+
Un proton se transforme en neutron et un positon (anti-électron) et un neutrino de l’électron sont émis. Rayonnement b+ = positon + neutrino de l’électron. Le positon est une antiparticule, lorsqu’il rencontre un électron de la matière, il se produit une réaction d’annihilation qui donne 2 photons de 0.511Mev à 180°. Équation de désintégration: AZX AZ-1Y + +1è +ne Ex: F 188O ++1è +ne

27 10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Capture électronique
Avec les noyaux lourds Lorsque la désintégration b+ est impossible (pas assez d’énergie). Un électron d’une couche profonde (K le plus souvent) est capturé par le noyau; l’électron capturé donne avec un proton un neutron. Il en découle une vacance sur la couche K comblée par les électrons des couches supérieures donc une émission de RX (caractéristiques de l’élément fils) et d’électrons Auger. RX et électrons Auger sont les seuls rayonnement résultants d’une désintégration par capture électronique. Équation : (A, Z)X + è (A, Z-1)Y + RX +è Auger

28 10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Désintégration a
La particule a émise est un noyau d’hélium : (4, 2)He L’émission a ne s’observe que pour les noyaux lourds (Z> 82) Équation : (A, Z)X (A-4, Z-2)Y + (4, 2)He Ex : (238, 92)U (234, 90)Th + (4, 2)He La particule a est émise le plus souvent avec une énergie élevée (un à plusieurs Mev)

29 10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Emission g et Conversion Interne
Isomères = 2 noyaux de même A et même Z qui ne diffèrent que par leur état énergétique. Transition isomérique = le noyau passe d’un état instable à un état plus stable en émettant de l’énergie ( photon ou électron). La transition isomérique, émission gamma ou conversion interne, se produit après une désintégration a, b-, b+ ou capture électronique . On note l’état excité : AZX*

30 10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Emission g et Conversion Interne
Émission gamma : en se désexcitant, le noyau émet un photon = rayon gamma d’énergie : Eg = Ei – Ef Ex : (111, 49) In (2,8j) (111, 48)Cd* Capt ele(99%) g :172Kev, 247Kev (111, 48)Cd

31 Conversion Interne L’énergie de désexcitation est transmise directement à un électron des couches profondes, K ou L, qui est éjecté La conséquence est une vacance dans le nuage électronique profond et donc l’émission de RX et d’électrons Auger è : Ec = (Ei-Ef) -El * RX + + è Auger

32 11- Activité d’une source radioactive
La transformation nucléaire est un phénomène aléatoire : probabilité d’émission. La constante radioactive l caractérise la probabilité d’émission en s-1 dN noyaux se transforment pendant dt dans une source de N noyaux : dN = -lNdt Donc nombre de noyaux à l’instant t: N(t)=N0 exp-(l*Dt) à t=o N = No

33 11- Activité d’une source radioactive
Source de N noyaux Activité = transformations par seconde Et A = l N At = l No exp-lt Ao =lNo At = Ao exp-lt

34 11- Activité d’une source radioactive Unités
Le Becquerel : Bq = 1 transformation nucléaire/seconde Ancienne unité : le Curie : Ci 1Ci = Bq 1mCi = 37MBq

35 11- Activité d’une source radioactive Période radioactive
Appelée aussi période physique ou demi-vie radioactive : T1/2 Pour Dt = T1/2 Remarque : après Dt = + 10 * T1/2 N~ No / 1000

36 11- Activité d’une source radioactive Calcul de la masse de radionucléide correspondant à une activité Nombre de noyaux Et masse recherchée Exemple : L’ exploration thyroïdienne avec 1,85MBq de 131I (131I-iodure de Na) : l’activité injectée correspond à 0.4ng d’iode injectée.