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

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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Presentation Transcript

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

  2. 1. LE NOYAU ATOMIQUE

  3. - 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

  4. 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)

  5. 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

  6. Nucléides isotones = même N exemple 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

  7. 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.

  8. 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

  9. Masse des constituants de l’atome. u MeV / C2 n 1,00866 939,573 p 1,00727 938,279 e 5,486 10-4 0,511

  10. 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 = 20 N = 20, 22, 23, 26, 28 Z = 50 N = 62, 64 à 70, 72, 74, 76 N = 20 Z = 16 à 20 N = 50 Z = 36 à 40, 42

  11. 2. LA RADIOACTIVITELES TRANSFORMATIONS RADIOACTIVES

  12. 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.

  13. 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.

  14. 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

  15. 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-

  16. 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 • stable stable • 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.

  17. Transformation isomérique (TI). • TI X* X* • X X • - 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

  18. - 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

  19. 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

  20. 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.

  21. 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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