Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques
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LE NOYAU ATOMIQUE LA RADIOACTIVITE NOTIONS DE BASE SUR SES APPLICATIONS EN MEDECINE ET SES RISQUES . 1. LE NOYAU ATOMIQUE . - Taille par rapport à l’atome : r atome  10 -10 m r noyau  10 -15 m - Constituants du noyau : nucléons. p + = charge +, masse = 1,673 10 -27 kg

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LE NOYAU ATOMIQUE LA RADIOACTIVITE NOTIONS DE BASE SUR SES APPLICATIONS EN MEDECINE ET SES RISQUES

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Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

LE NOYAU ATOMIQUE LA RADIOACTIVITENOTIONS DE BASE SUR SES APPLICATIONS EN MEDECINE ET SES RISQUES


1 le noyau atomique

1. LE NOYAU ATOMIQUE


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • - Taille par rapport à l’atome : r atome  10-10 m

  • r noyau  10-15 m

  • - Constituants du noyau : nucléons.

  • p+ = charge +, masse = 1,673 10-27 kg

  • nombre : Z, (= nombre d’e- de l’atome)

  • n = charge = 0, masse = 1,675 10-27 kg

  • nombre : N

  • nucléide : A = N + Z

  • (A : nombre de masse, Z : numéro atomique)

  • rayon du noyau  proportionnel à A1/3

  • notation du nucléide A(Z)X(N) exemple : 23592U143


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Nucléides isotopes : même Z

  • 31H2

  • 21H1 :0,015 % abondance isotopique identique pour tous les échantillons naturels d’un élément.

  • 11H0 :99,985 %

  • - naturels, Z nucléides naturels = 1 à 92 (U) sauf 43 (Tc) et 61 (Pm)

  • La plupart sont stables, certain sont instables, encore présents sur terre

  • . soit parce qu’ils ont été formés lors de la création de l’univers comme

  • 23290Th, 23892U ou 23592U qui mettent des milliards d’années à se désintégrer, ou qu’ils sont produits lors de leur désintégration

  • . soit parce qu’ils sont créés en permanence par interaction des rayons cosmiques avec les gaz de l’atmosphère comme 31H ou 146C.

  • - artificiels, tous instables, créés par réaction nucléaire (bombardement)


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Nucléides isobares = même A

  • Exemple isobare de A = 60

  • 6026 Fe34 6030 Zn30

  • 6027 Co336029 Cu31

  • 6029 Ni32 stable

  • Exemple isobare de A = 135

  • 13552 Te83

  • 13553 I82

  • 13554 Xe81 13558 Ce77

  • 13555 Cs80 13557 La78

  • 13556 Ba79 stable


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Nucléides isotones = même Nexemple ici N = 14

  • 2410 Ne142511 Na142612 Mg 14 2713 Al 142814 Si14 ...

  • Nucléides isomères = même A, Z, N

  • énergie interne différente

  • 142 keV 99mTc

  • 0 99Tc


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

Masse du noyau, E de cohésion.

Généralement Mnucléide Z Mproton + (A - Z)Mneutron

DM = Z Mproton + (A - Z) Mneutron - Mnucléide

El = DM C2 énergie de liaison.

Forces de cohésion qui diminuent très vite quand r augmente.


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

Unités pratiques :

- énergie : eV (keV, MeV) ; 1 eV = 1,6 10-19 J

- masse : unité de masse atomique l u = 1/12 masse 126 C

Masse atomique molaire : 12 g

d ’où 1 u = 112.10-3 = 1,66.10-27 kg

12 N

1 u = 931,5 MeV / C2


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

Masse des constituants de l’atome.

uMeV / C2

n 1,00866939,573

p1,00727938,279

e5,486 10-40,511


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

Nombres magiques :

N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, ?

Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82, ?

 modèle en couches du noyau atomique

Nombres d’isotopes stables :

Z = 20N = 20, 22, 23, 26, 28

Z = 50N = 62, 64 à 70, 72, 74, 76

N = 20Z = 16 à 20

N = 50Z = 36 à 40, 42


2 la radioactivite les transformations radioactives

2. LA RADIOACTIVITELES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Nucléides lourds

  • - Fission

  • - Emission 

  • AZX  A-4 Z-2Y + 42He++ particule  avec Ec

  • Particules  Ec  4 - 10 MeV.

  • Parcours dans l’eau  0,03 mm.

  • Danger : ingestion, inhalation.

  • Application médicale : radiothérapie de contact.

  • Y peut être instable : « familles » radioactives.


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Nucléides avec excès de neutrons :

  • transformation isobarique b-

  • 10n  11p + 0-1e- + 

  • AZX  A Z+1Y + 0-1e- +  

  • Le spectre en énergie de la particule b- est continu, des énergies faibles jusqu’à un maximum : il y a partage de la DE entre l’électron et un antineutrino.

  • Parcours dans l’eau : quelques millimètres.

  • Danger : ingestion mais aussi contamination externe

  • Application médicale : radiothérapie interne (131 I, 90 Y …)

  • Y peut être instable (radioactif a ou b-) ou excité (Y*), donnant alors lieu à une transformation isomérique.


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Nucléides avec excès de protons. Transformation p  n

  • - émission b+

  • 11p  10n + 01e+ +00 spectre b+ continu, partage de DE - 1,02 MeV.

  • donc DE  1,02 MeV pour que la transformation soit possible.

  • Lorsque le b+ a perdu son énergie cinétique, il se dématérialise

  • 01e+ + 0-1e-  2 00  Deux photons de dématérialisation E = 511 keV

  • Les 2 photons de dématérialisation sont antiparallèles.

  • AZX  AZ-1Y + 00 + 01e+ (polyénergétique) + 2 00  (monoénergétiques)

  • Parcours dans l’eau des b+ : quelques millimètres.

  • Danger : contamination externe et interne par b+ mais aussi irradiation externe par les photons de dématérialisation.

  • Application médicale : TEP


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

hn

  • - Capture électronique (généralement couche K) : possible sans seuil de DE

  • 11p + 0-1e- 10n + 00

  • AZX  AZ-1Y +00

  • Emission de photons X de fluorescence du fait de la vacance électronique (cf fig.).

  • Ehn= EK - EL = (EK - EM) + (EM - EL)...

  • et/ou d’électrons Auger (fig. du bas).

  • Applications médicales :

  • Photons X parfois utilisables pour imagerie, le plus souvent pour comptage radioimmunologie …

  • Electrons Auger pour radiothérapie au niveau cellulaire car parcours dans l’eau très court (ordre du µm).

e-


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Un nucléide peut-il se désintégrer selon les 3 modes isobariques ? OUI, pour certaines valeurs paires de A, il y a alors deux valeurs de l.

  • Exemple isobare de A = 106

  • 10643 Tc63

  • 10644 Ru62 10650 Sn56

  • 10645 Rh61 10647 Ag59 10649 In57

  • 10646 Pd6010648 Cd58

  • stablestable

  • 10647 Ag59 a Z et N impairs, il n’est pas stable, alors que les deux nucléides voisins dont Z et N sont pairs sont stables. Il peut se désintégrer selon les 3 modes isobariques : b- vers 106Cd, b+ ou CE vers 106Pd.


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Transformation isomérique (TI).

  • TI X*X*

  • XX

  • - Emission de photons gammas, simple, en parallèle ou en cascade.

  • AZX*  AZX + 0og spectre monoénergétique ou de raies

  • Parcours dans l’eau : pouvant atteindre plusieurs cm voire m.

  • Danger : irradiation externe et aussi interne (mais moins que les particules chargées à énergie égale)

  • Application médicale : scintigraphie


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

- Conversion interne : DE confiée à un électron du cortège. Intervient concurremment à l’émission gamma

hn

e-

Suivie de :

- émission de photons X de fluorescence

- ou émission d’électrons Auger


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Quantitativement : Chaque noyau d’un radionucléide donné a une probabilité par unité de temps de se désintégrer, sa « constante radioactive », inverse d’un temps et que l’on note , caractéristique du radionucléide.

  • Parmi N(t) atomes du radionucléide, le nombre dN de ceux qui se désintègrent pendant un court intervalle de temps dt vaut :

  • dN = - N(t) dt  N(t) = N0e- t où N0 est le nombre d’atomes à t = 0

  • La période radioactive T : t = T pour N = N0 / 2 => T = ln 2 / 

  • L’activité : Nombre de noyaux du radionucléide qui se désintègrent par unité de temps: A = dN / dt , A en Bq = 1 désintégration par seconde.

  • A = dN / dt =  N , l’activité d’un échantillon dépend donc de la nature et aussi de la masse du radionucléide dans l’échantillon.

  • Il y a également une diminution exponentielle de l’activité avec le temps: A =  N d’où A(t) = A0e- t ou A(t) = A02 - t /T


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • Filiations radioactives

  • Lorsque le radionucléide père se désintègre en un radionucléide fils

  • qui est lui aussi radioactif, deux cas sont intéressants à considérer :

  • l’équilibre de régime où l1 du père < l2 du fils ( T1 > T2) permet de

  • construire un générateur, de façon a disposer du radionucléide fils sur

  • une durée beaucoup plus longue que T2.

  • Exemple médical : le générateur de 99Mo/99mTc

  • 99Mo -> 99mTc + 0-1e- +  avec T = 67 h

  • 99mTc -> 99Tc + g avec T = 6h

  • Le générateur, initialement rempli de 99Mo, se charge en 99mTc

  • que l’on peut récupérer par séparation chimique tous les jours ;

  • l’activité de 99mTc est sensiblement égale (un peu >) à celle du 99Mo

  • présent à cet instant dans le générateur.

  • l’équilibre séculaire où l1 du père << li des fils ( T1 >> Ti), l’activité

  • de chacun des radionucléides fils est égale à celle du père.


Le noyau atomique la radioactivite notions de base sur ses applications en medecine et ses risques

  • La radioactivité et le vivant : période efficace

  • Lorsqu’un radionucléide (par exemple un traceur radioactif pour

  • effectuer une scintigraphie) est introduit dans un organisme vivant,

  • il peut disparaître de cet organisme par deux mécanismes :

  • la décroissance radioactive physique dont la « probabilité » par unité de

  • temps est lp

  • l’élimination biologique (urine, féces, sueur, air exhalé …) dont la

  • « probabilité » par unité de temps est lb.

  • La « probabilité » totale de disparition par unité de temps est

  • le = lp + lb. On peut aussi exprimer les périodes correspondantes, en

  • unités de temps ( T = ln 2 / l), et on montre aisément que :

  • 1/Te = 1/Tp + 1/Tb, Te étant appelée la période efficace.

  • Si Tp >> Tb, Te = Tb, la disparition se fait par un mécanisme biologique

  • Si Tp << Tb, Te = Tp, la disparition se fait par décroissance radioactive.

  • Ces notions peuvent être appliquées à un organe (pour la dosimétrie).

  • A radioactivité équivalente (activité, particules et énergie émises),

  • plus Te est court plus l’irradiation est faible (pas forcément vrai pour Tp).


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