Les rayonnements ionisants

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1 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...

2 LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
Tout système instable tend vers la stabilité La transformation du noyau entraine l’émission d’un rayonnement Décroissance radioactive 1. Rayonnement  Quelques cm dans l’air (quelques MeV)  Parcours rectiligne 241Am  237Np + 

3 LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
2. Rayonnement  (e-, e+) Energie: quelques keV à x MeV Parcours sinueux, quelques m dans l’air (qq mm dans les tissus vivants) 32P  32S + e-

4 LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
Tout système instable tend vers la stabilité La transformation du noyau entraine l’émission d’un rayonnement Décroissance radioactive 1. Rayonnement  2. Rayonnement  (e-, e+) Rayonnement ionisant Energie: qq MeV Parcours rectiligne, qq cm dans l’air, qq dizaines de µ dans les tissus vivants Energie: qq keV à qq MeV Parcours sineux, qq m dans l’air qq mm dans les tissus vivants

5 LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
4. neutrons Suivant leur énergie, neutrons thermiques (0,025 eV), lents (< 1 keV), intermédiaires, Rapides (15 MeV) Les neutrons agissent par chocs Capturé par les noyaux Noyau excité Désexcitation par émission , ,  Parcours: Neutron thermique (quelques dizaines de m) Neutron rapide (quelques centaines de m)

6 LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
3. Rayonnement électromagnétique ( et RX) se différenciant en fonction de leur origine Rayt : changement dans les niveaux d’E du noyau (quantifié) Rayt de freinage: ralentissement des e- dans la matière Rayt X: changement dans les niveaux d’E des e- de l’atome Rayonnement  Désexcitation du noyau après émission  ou  Propagation en ligne droite, Très pénétrant (peu d’interaction) quelques centaines de m (E = 1 Mev) 60Co  60Ni +  +  (E = 1,17 et 1,33 MeV) Pour arrêter un  de E = 1MeV (ex: 60Co): 200 à 300 m d’air……

7 Rayons X Mécanisme à l’origine des RX:
flux d’électrons useful X-rays anode Cathode (filament de W) enceinte en verre Mécanisme à l’origine des RX: collisions (électrons des atomes de l’anode) freinage (noyaux des atomes de l’anode) Interaction e- - e- Interaction e- - noyau

8 Spectre des Rayons X

9 En résumé…. Ces rayonnements sont des désintégrations nucléaires (E de la particule émise ou du rayonnement caractéristique de l’élément considéré) 3 caractéristiques d’un élément radioactif nom de la particule ou rayonnement (, , , X, n°) E de l’émission (eV: keV, MeV) intensité (cadence de désintégrations: nbre de désintégrations par unité de temps)

10 La première radiographie…pour la première fois, on peut voir les os à l’intérieur du corps
W. Roentgen Et tout cela en travaillant avec des tubes cathodiques….

11 Découverte de la radioactivité naturelle par H.Becquerel
Émission par un sel d’Uranium de rayonnements capable d’impressionner une plaque photo Découverte d’un phénomène majeur de la nature

12 Découverte par P.et M.Curie de deux éléments radioactifs: Po et Ra
En 1898 , Pierre et Marie Curie annoncent la découverte de deux éléments : le polonium (nom rapellant son pays : la Pologne) et le radium. Elle reçut le prix Nobel de physique en 1903, avec son mari et H.Becquerel ainsi que e prix Nobel de Chimie pour son travail sur le radium et ses composés en 1911.

13 Les premières lésions Première expérience radiobiologique (involontaire) en 1900 par Becquerel : production d ’un érythème cutané 15 jours après exposition au radium. Répétition (volontaire) de la même expérience par Pierre Curie en 1901. Ces 2 expériences marquent le début de la radiobiologie

14 Un peu d’histoire… 1895 découverte des RX par Roentgen
1896 découverte de la radioactivité par Becquerel dans un minerai d’uranium 1898 Extraction du Po et Ra du minerai d’uranium (P. et M.Curie)  1920 conscientisation du danger d’une exposition et esquisse d’une réglementation 1932 découverte de la radioactivité artificielle par I. et F. Joliot-Curie 1942 mise en marche de la pile atomique par Fermi 1945 Bombe atomique sur Hiroshima et Nagasaki Prudence! Le Nucléaire fait peur  Instauration d’un climat de confiance Protection efficace  Limiter la probabilité d’un accident et si cela arrive.. rapidité et efficacité des secours

15 Lois de la radioactivité: période radioactive (T)
T: loi physique caractéristique de chaque élément radioactif (temps nécessaire pour que la moitié des atomes présents se soit désintégrée spontanément) Au départ N0 noyaux: 1T ½ N0 2T ¼ N0 3T 1/8 N0 10 T un millième… Exemple: Ra ans C ans Tc 99m 6 heures I jours Th seconde

16 Activité d’un radioélément
Une source est caractérisée par l’activité qu’elle contient (nombre de noyaux se transformant spontanément par unité de temps), activité variant selon la décroissance radioactive. Unité légale : Becquerel (1 Bq = 1 désintégration par seconde) 1 kBq = 1000 Bq 1MBq = Bq 1 GBq = Bq Ancienne unité: Curie (1 Ci = 37 milliards de Bq)

17 Chaîne de décroissance radioactive

18 Modes d’interaction des rayonnements avec la matière: connaissance nécessaire en radioprotection
détermination de la dose absorbée par les tissus exposés étude des détecteurs de rayonnements conception des écrans de protection 2 catégories de rayonnements directement ionisant (, , protons) indirectement ionisant (, n°: production de particules secondaires chargées) 3 modes d’interaction Excitation: e- amenés à des niveaux d’E  du niveau fondamental Ionisation: électron éjecté du reste de l’atome Rayonnement de freinage: photon qu’émet une particule chargée en passant dans le champ coulombien du noyau d’un atome  Perte d’E (dE) par unité de longueur (dX): dE/dX = K. mZ2/E  Parcours d’une particule R = E02/ 2KmZ  Perte d’E (dE) par unité de longueur (dX): dE/dX = K. EZ2/(mc2)2

19 Interaction des rayonnements ionisants avec la matière
Les rayonnements perdent leur énergie en traversant la matière Action directe sur les électrons par les  et  Excitation et ionisation des atomes par les  Excitation des noyaux par les n° Rayonnement directement ionisant ( et ) Interaction avec les électrons périphériques Expulsion de l’électron ionisation nbre de paires d’ions Déplacement d’un électron sur une autre couche excitation de l’atome et émission de photons X Ionisation de la matière  7300 x plus lourd que e- Trajectoire rectiligne Très ionisantes (milliers d’atomes dans cellule) e- Trajectoire sinueuse Faiblement ionisant (petit nbre d’atomes dans cellule)

20 Interaction des RI avec la matière: les photons
Rayonnement électromagnétique se différenciant par leur origine Rayonnement : changement dans les niveaux d’E du noyau (quantifié) Rayonnement de freinage: ralentissement des e- dans la matière Rayonnement X: changement dans les niveaux d’E des e- de l’atome Effet photoélectrique Effet Compton Production de paires Toute l’E du photon cédée à l’e- sous forme d’E cinétique Partie de l’E du photon cédée à l’e- Photon de moindre E Photon d’E > 1.02 MeV Noyau avec Z élevé + - 1 E = MeV 2 Photons E < 50 keV E entre 50 keV et 20 MeV E > 20 MeV

21 Interaction des  avec la matière: Effet photoélectrique
Totalité de l’E transférée à un e- de l’atome Seulement si l’E > EK Eliaison avec Z et proximité du noyau Coefficient d’absorption photo-électrique µphoto-électrique ∞ Z3/E3 En pratique… Pb bon matériau pour les écrans de protection contre les RX (permet l’arrêt des RX de faible E et un bon % des autres) Bon contraste de l’image radio Effet principal dans la matière organique (Effet majeur pour V > 70kV) car arrêt du RX de faible E et production d’un électron pouvant être biologiquement néfaste Ee = h - EK Effet important pour les photons de faible E et dans les matériaux lourds

22 Interaction des  avec la matière: Effet compton
Partie de l’E du  transmise à l’e- Distribution angulaire en énergie Pour  élevé, E diffusé fort réduite Conséquence: dégradation importante du spectre d’E des  Détecteur sensible sur un domaine étendu d’E de  avec un certaine réponse angulaire Le diffusé est multidirectionnel Peu d’influence de Z masse de matière présente! Efficacité de l’écran de protection ne dépendant du matériau choisi En pratique… Diffusé encore assez énergétique pour avoir des effets sur image radio (voile) et constituer un danger pour le personnel qui doit se protéger provient du patient. Diffusé avec l’E des RX et du volume irradié Ec Ec = hO - h hO h

23 Interaction des  avec la matière: matérialisation
E > 1MeV   matérialisé en 2 e- avec Ecinétique Distribution en énergie Pour  de haute E, Ecinétique également répartie entre les e- Pour  de faible E, E des positons > E des négatons Distribution angulaire Pour  de haute E, dirigé vers l’avant Annihilation Lorsque Ecinétique (+) <<, + est attiré par un   apparition de 2 photons de E = MeV Si e- au repos, photon émis dans direction opposée En pratique…Ne concerne pas le radiodiagnostic Erésiduelle = h - 2mOc2 + - 1 E = MeV

24 Atténuation globale d’un faisceau de photons
I = IO e-µx µ dépend de l’E des  incidents et de la nature du matériau absorbant (masse volumique, numéro atomique) Domaine prépondérant d’interaction en fonction de l’E des rayonnements et du Z du matériau absorbant

25 Domaine prépondérant d’interaction en fonction de l’E des rayonnements et du Z du matériau absorbant

26 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.