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Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes

Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes. Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2 ème année Médecine Année universitaire 2012-2013.

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Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes

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  1. Éléments de Biophysique des Radiations Ionisantes Dr K CHATTI Département de Biophysique Faculté de Médecine de Monastir 2ème année Médecine Année universitaire 2012-2013

  2. Les radiations ou rayonnements ionisants sont constitués par des flux de particules en mouvement rapides de nature et d’énergie cinétiques variées. Les radiations sont produites par des phénomènes spontanée, la désintégration des atomes radioactifs (naturels ou artificiels) ou par l’accélération artificielle des particules.

  3. B [Ag] [Ag] B=comptage de la forme liée

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

  5. Matière et énergie • GRANDEURS ET UNITES • STRUCTURE DE L’ATOME • CORTEGE ELECTRONIQUE • NOYAU • Nucléons • Nucléides • RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES • DEFINITION • PROPRIETES • SPECTRE

  6. Matière et énergie • GRANDEURS ET UNITES • STRUCTURE DE L’ATOME • CORTEGE ELECTRONIQUE • NOYAU • Nucléons • Nucléides • RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES • DEFINITION • PROPRIETES • SPECTRE

  7. GRANDEURS ET UNITES • Unité de masse atomique : 1 u.m.a. = g = 1,66 10-24g • Énergie : électron-volt (eV) 1 eV = 1,6.10-19 C x 1 V = 1,6.10-19 J ( keV, MeV) • Équivalence masse - énergie E = mc²E : énergie en joule m : masse en kg c : vitesse de la lumière dans le vide = 3.108 ms-1 • 1 uma = 1,66 . 10-27 x (3 . 108 )² = 1,494 . 10-10 J = 1,494 . 10-10 / 1,6.10-19 = 931,4. 106 eV = 931,4 MeV

  8. Matière et énergie • GRANDEURS ET UNITES • STRUCTURE DE L’ATOME • CORTEGE ELECTRONIQUE • NOYAU • Nucléons • Nucléides • RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES • DEFINITION • PROPRIETES • SPECTRE

  9. Corps pur constitué d’atomes de Fe Corps composé : la molécule d’eau est constituée de 2 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène H2O Du macroscopique au microscopique STRUCTURE DE L’ATOME

  10. Atome : environ 10-10 m noyau Espace occupé par les électrons électron Proton Neutron Noyau : environ 10-15 m

  11. -Ze r1 r2 +Ze n=4 N n=3 M n=2 L n=1 K CORTEGE ELECTRONIQUE • La masse d’un électron au repos m0= 9.10-31 kg = 0,000 548 uma = 0,511 MeV • Les électrons gravitent à différentes distances du noyau, • Couche ni de niveau énergétique i • Ei = - 13,6 Z²/ni² • Énergie de liaison • Wi = - Ei = 13,6 Z²/ni²

  12. à la suite d’une ionisation ou excitation ou désintégration radioactive, l’atome peut être dans un état excité N N M M é éjecté L L K K Etat excité Perturbation État fondamental et état excité de l’atome • Configuration telle que l’énergie de liaison est maximale

  13. (EL – EK) -WM = -13,6Z²/2² - (-13,6Z²/1²) Désexcitation de l’atome

  14. e- L • Ionisation de la couche K : P+ K M e- M L  • Processus de désexcitation: • Emission X : Ex - h - EL - EK K Electron Auger : EAuger = (EK – EL) – Eliaison M EL – EK-  e- Auger  X M M L L   K K En résumé Photons de fluorescence ou raie X caractéristique

  15. Atome A X P+ A Nombre de nucléons Z Noyau atomique Z Nombre de protons n N = A – Z Nombre de neutrons 10-10 m Rnoyau = r0.A1/3 avec r0 = 1.3 fm Electron 10-15 m Un noyau stable est un système lié de A nucléons (interaction attractive > interaction répulsives des charges) NOYAU

  16. Nucléons • Le proton • ou p : ion H ou H+ • Le proton est stable à l’état libre, dans certaines conditions énergétiques, le proton peut se transformer en un neutron et un électron positif. • Charge = + 1,602⋅10-19 C • Masse = 1,6726⋅10-27 kg = 1,0074 u.m.a = 938,21 MeV • Le neutron • ou n • Charge : nulle, • Hors du noyau, le neutron est radioactif : il se désintègre en un proton et un électron négatif. • Masse = 1,6748⋅10-27 kg = 1,0087 u.m.a. = 939,51 MeV

  17. Les nucléons sont des objets composite, ils sont constitués de troisQUARKS Proton= uud Neutron= ddu Proton Neutron Quark up Quark down Charge : +2/3 Charge : -1/3

  18. Énergie de liaison dans le noyau Noyau atomique • Force électromagnétique • répulsive entre les protons • Interaction forte • liaison entre les nucléons Noyau stable Interaction forte >> Force électromagnétique

  19. Défaut de masse • Considérons un noyau d’hélium • masse des 2 protons isolés : 2⋅1,0074 = 2,0148 u.m.a. • masse des 2 neutrons isolés : 2⋅1,0086 = 2,0172 u.m.a. • somme des masses des particules isolées : 4,032 u.m.a. • masse réelle du noyau d’hélium : 4,002 u.m.a. • Par rapport aux particules qui le constituent, le noyau d’hélium présente donc un défaut de masse : m ou E m = 4,032 – 4,002 = 0,03 u.m.a. E = m⋅c2 E = 0,03⋅10-3⋅ 6,023.1023 1,66. 10-27 (3⋅108)2 . = 2,7⋅1012 J/mol 4He

  20. Défaut de masse et énergie de liaison Mnoyau < Z.mp + N. mN Mnoyau < Z.mp + N. mN - m Mnoyau .c2 = (Z.mp + N. mN - m).c2 Mnoyau .c2 = (Z.mp + N. mN).c2 .W W = (Z.mp + N. mN – Mnoyau).c2 W B : Énergie qu’il faut dépenser pour séparer les nucléons d’un noyau. C’est ce qu’on appelle énergie interne ou de liaison : W W/A : Énergie moyenne par nucléon dans un noyau

  21. Nucléides • Les isotopes : nucléides avec même numéro atomique Z, • Exp. Isotopes de l’iode :123I, 125I, 127I, 131I • Les isobares: nucléides avec même nombre de masse A, • Exp. 131I et 131Xe • Les isotones : nucléides avec même nombre de neutrons N • Exp. 3H et 4He • Les isomèresCe sont des noyaux qui ont le même nombre de masse A et le même numéro atomique Z, mais qui possèdent une énergie interne nucléaire W différente. • Exp. 99mTc et 99Tc

  22. Matière et énergie • GRANDEURS ET UNITES • STRUCTURE DE L’ATOME • CORTEGE ELECTRONIQUE • NOYAU • Nucléons • Nucléides • RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES • DEFINITION • PROPRIETES • SPECTRE

  23. Relation de Duane et HuntE(eV) = DEFINITION • Rayonnements électromagnétiques propagation de E, H transverses • Photon : corpuscule associé au champ électromagnétique • ENERGIEE = h avec  : fréquence (  = c/) • h : constante de Planck (h = 6.625.10-34J.s)

  24. Longueur d’onde (M) Taille de l’onde E=h Nom commun de l’onde Sources Fréquence (M2)

  25. Energies et longueurs d’onde des photons Diamètre atomique Diamètre nucléaire  Photon de freinage 1µ 0.1µ 0.01µ 10Å 1Å 0.1Å 0.01Å 10-3Å 10-4Å raies  (spectres nucléaires) eV 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109 raies X caractéristiques ( spectres atomiques) Spectre visible

  26. 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.

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