1 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
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1. LE NOYAU ATOMIQUE
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- 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 : 235
92U143
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• 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, 238
92U 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 3
1H ou 146C.
- artificiels, tous instables, créés par réaction nucléaire (bombardement)
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• Nucléides isobares = même A
Exemple isobare de A = 60
6026 Fe34 60
30 Zn30
6027 Co33 60
29 Cu31
6029 Ni32 stable
Exemple isobare de A = 135
13552 Te83
13553 I82
13554 Xe81 135
58 Ce77
13555 Cs80 135
57 La78
13556 Ba79 stable
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• Nucléides isotones = même N exemple ici N = 14
2410 Ne14 25
11 Na14 2612 Mg 14 27
13 Al 14 2814 Si14 ...
• Nucléides isomères = même A, Z, N
énergie interne différente
142 keV 99mTc
0 99Tc
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Masse du noyau, E de cohésion.
Généralement Mnucléide Z Mproton + (A - Z)Mneutron
M = Z Mproton + (A - Z) Mneutron - Mnucléide
El = M C2 énergie de liaison.
Forces de cohésion qui diminuent très vite quand r augmente.
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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 = 1 12.10-3 = 1,66.10-27 kg
12 N
1 u = 931,5 MeV / C2
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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
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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
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2. LA RADIOACTIVITELES TRANSFORMATIONS
RADIOACTIVES
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• Nucléides lourds
- Fission
- Emission A
ZX A-4 Z-2Y + 4
2He++ 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.
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•Nucléides avec excès de neutrons :
transformation isobarique -
10n 1
1p + 0 -1e- +
AZX A
Z+1Y + 0-1e- +
Le spectre en énergie de la particule - est continu, des énergies faibles jusqu’à un maximum : il y a partage de la E 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 ou -) ou excité (Y*), donnant alors lieu à une transformation isomérique.
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•Nucléides avec excès de protons. Transformation p n
- émission 1
1p 10n + 0
1e+ + 00 spectre + continu, partage de E - 1,02 MeV.
donc E 1,02 MeV pour que la transformation soit possible.
Lorsque le + 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 A
Z-1Y + 00 + 0
1e+ (polyénergétique) + 2 00 (monoénergétiques)
Parcours dans l’eau des + : quelques millimètres.
Danger : contamination externe et interne par + mais aussi irradiation externe par les photons de dématérialisation.
Application médicale : TEP
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h - Capture électronique (généralement couche K) : possible sans seuil de E1
1p + 0-1e- 1
0n + 00
AZX A
Z-1Y +00
Emission de photons X de fluorescence du fait de la vacance électronique (cf fig.).Eh= 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-
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• 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
Exemple isobare de A = 106
10643 Tc63
10644 Ru62 106
50 Sn56
10645 Rh61 106
47 Ag59 10649 In57
10646 Pd60 106
48 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 : - vers 106Cd, + ou CE vers 106Pd.
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•Transformation isomérique (TI).
TI X* X*
X X
- Emission de photons gammas, simple, en parallèle ou en cascade.
AZX* A
ZX + 0ospectre 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
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e-
- Conversion interne : E confiée à un électron du cortège. Intervient concurremment à l’émission gamma
Suivie de :- émission de photons X de fluorescence- ou émission d’électrons Auger
h
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• 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
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• 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 du père < du fils ( T1 > T2) permet de construire un générateur, de façon a disposer du radionucléide fils surune durée beaucoup plus longue que T2.Exemple médical : le générateur de 99Mo/99mTc99Mo -> 99mTc + 0
-1e- + avec T = 67 h 99mTc -> 99Tc + avec T = 6hLe 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 du père << i des fils ( T1 >> Ti), l’activité de chacun des radionucléides fils est égale à celle du père.
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• La radioactivité et le vivant : période efficaceLorsqu’un radionucléide (par exemple un traceur radioactif poureffectuer 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 p- l’élimination biologique (urine, féces, sueur, air exhalé …) dont la « probabilité » par unité de temps est bLa « probabilité » totale de disparition par unité de temps este = p + b. On peut aussi exprimer les périodes correspondantes, enunités de temps ( T = ln 2 / ), 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 biologiqueSi 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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