Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes

1. Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2ème année Médecine Tout corps à une température supérieure à 0°k émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique . Un corps qui reçoit un rayonnement électromagnétique peut en réfléchir une partie et absorber le reste. Une particule chargée de forte énergie émet un rayonnement électromagnétique lorsqu’elle est déviée, par un champ magnétique ou coulombien. Lorsqu'un atome excité revient à son état d'énergie fondamental, il émet un photon dont l'énergie correspond à la différence entre les deux états d'énergie de l'atome.

2. QUATRE CHAPITRES Matière et énergie Radioactivité Interactions des rayonnements avec la matière Source des rayonnements ionisants utilisés en Médecine

3. Radioactivité • DEFINITION • STABILITE DU NOYAU • TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • TRANSFORMATION PAR PARTITION • TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES • TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES • CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • PROBABILITE DE DESINTEGRATION • DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE • ACTIVITE • FILIATION RADIOACTIVE • PERIODE EFFECTIVE

4. Radioactivité • DEFINITION • STABILITE DU NOYAU • TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • TRANSFORMATION PAR PARTITION • TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES • TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES • CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • PROBABILITE DE DESINTEGRATION • DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE • ACTIVITE • FILIATION RADIOACTIVE • PERIODE EFFECTIVE

5. La radioactivité, terme inventé vers 1898 par Marie Curie, est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, pour se transformer en des noyaux atomiques plus stables.

7. La radioactivité:

8. Pour quelles raisons certains noyaux sont-ils • instables ? • Pourquoi émettent-ils un rayonnement plutôt • qu’un autre ? • A quel rythme se désintègrent-ils et pendant • combien de temps ? • Comment mesure-t-on leur degré de • radioactivité ?

9. Radioactivité • DEFINITION • STABILITE DU NOYAU • TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • TRANSFORMATION PAR PARTITION • TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES • TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES • CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • PROBABILITE DE DESINTEGRATION • DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE • ACTIVITE • FILIATION RADIOACTIVE • PERIODE EFFECTIVE

10. W W W/A (MeV/nucléon) 7,075 7,66 8,78 7,91 Défaut de masse et énergie de liaison W

11. W/A Puisque les éléments tendent à évoluer vers une stabilité plus grande, les éléments légers gagent en stabilité par fusion tandis que les éléments lourds gagnent en stabilité par fission.

12. Zone A Zone C Zone B RELATION ENTRE N ET Z Vallée de stabilité

13. Rouge: les noyaux sont stables. (vallée de stabilité). Jaune : radioactivité de type . Noyaux lourds (N,Z grands et donc A grand) Bleu: radioactivité de type -. (excès de neutrons par rapport au noyaux stables de même nombre de masse A) Vert : radioactivité + . (excès de protons par rapport au noyaux stables de même nombre de masse A)

15. Modes de désintégration Transformation Isomérique : Désexcitation du noyau  Émission   conversion interne

16. Lois de conservation dans une transformation radioactive + +  A = A’ + A’’ Z = Z’ + Z’’ m(X)c² = m(Y)c² + m(a)c² + ½ m(Y)V²(Y) + ½ m(a)V²(a) + h m (X) = m (Y) + m (a) =

17. Radioactivité • STABILITE DU NOYAU • DEFINITION • TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • TRANSFORMATION PAR PARTITION • TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES • TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES • CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • PROBABILITE DE DESINTEGRATION • DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE • ACTIVITE

18. Excès de nucléons Emission  Le noyau est trop lourd et l’émission se fait avec une perte de masse maximum alpha On remarque le respect du nombre de masse et du nombre de charges

19. DESINTEGRATION 

22.  Spectre monoénergétique

23. radioactivité • STABILITE DU NOYAU • DEFINITION • TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • TRANSFORMATION PAR PARTITION • TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES • TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES • CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES • PROBABILITE DE DESINTEGRATION • DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE • ACTIVITE • FILIATION RADIOACTIVE • PERIODE EFFECTIVE

24. Emission - Excès de Neutrons L’atome est plus lourd que l’isotope stable, un neutron se transforme n  p+ + e-

26. Radioactivité -: énergétique de la réaction • Conservation de l’énergie • Avant la désintégration, • Après la désintégration Energies cinétiques Energies au repos Energie totale

28. Radioactivité - : spectre en énergie

29. Emission + Défaut de Neutrons Défaut de neutrons : L’atome est moins lourd que l’isotope stable, soit le proton se transforme P+  n+ e+

31. Radioactivité +: énergétique de la réaction • Conservation de l’énergie • Avant la désintégration, • Après la désintégration Energies cinétiques Energies au repos Energie totale Condition énergétique : Qβ+ > 2méc²

32. Radioactivité + : spectre en énergie

34. Radioactivité  résumé Exp, radioactivité β- : 131I(Z=53), 99Mo(Z=42) radioactivité β+ : 18F(Z=9), 15O(Z=8)

35. Capture électroniques C.E. Défaut de Neutrons Le noyau absorbe un électron du cortège électronique P+ + e-  n

37. Capture électronique : énergétique de la réaction • Conservation de l’énergie • Avant la désintégration, • Après la désintégration Energies cinétiques Energies au repos Energie totale

38. Exp. 201Tl (z=81)

39. Réarrangement électronique : Désexcitation de l’atome (EL – EK) -WM

40. radioactivité STABILITE DU NOYAU DEFINITION TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

41. Transformation isomérique : désexcitation du noyau Le noyau passe de l’état fondamental à un état excité, à la suite de - perturbation - une désintégration radioactive… Le retour à l’état fondamental libère de l’énergie sous forme - émission de photon  - conversion interne

42. : Émission gamma : 

43. DESEXCITATION 

44. Onde électromagnétique Origine : le noyau   10-10 à 10-13 m E = k. c /  (Einstein, 1905) E (eV) = 12400 /  (Å) Photon (c = 3.108 m/s) H = 6.63.10-34 J.s) E  100 keV à 10 MeV

45. CONVERSION INTERNE Transfert de l’énergie libérée par la transition vers le cortège électronique où un électron (K, L ou M…) peut être éjecté.  - émission d’électron éjectés avec E = E t-El - émission de rayon X - émission d’électron s Auger Réarrangement du cortège électronique Conversion interne : transformation non radiative

46. Noyau : ce qu’il faut retenir Z protons + N neutrons = A nucléons W = l’énergie de liaison =  m.c2 Etats excités - retour à l’état fondamental par émission de rayons  ou d’électrons de conversion interne Ligne de stabilité - retour à la stabilité par désintégration radioactive

47. - ; + 99Mo  99mTc + β- 18F  18O + β+ 99mTc  99Tc + 

48. radioactivité STABILITE DU NOYAU DEFINITION TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES TRANSFORMATION PAR PARTITION TRANSFORMATIONS ISOBARIQUES TRANSFORMATIONS ISOMERIQUES CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES PROBABILITE DE DESINTEGRATION DECROISSANCE RADIOACTIVE ET PERIODE RADIOACTIVE ACTIVITE FILIATION RADIOACTIVE PERIODE EFFECTIVE

49. T0 t1 t2 ti

50. dN = -  N dt