• De nombreux exercices et QCM corrigés et expliqués • Strictement conforme au programme de l’UE3 • De nombreux schémas • Une mise en valeur des éléments à retenir
Fiches de révision
et QCM
Cet ouvrage recouvre tout le programme de Physique et de Biophysique de l’unité d’enseignement UE3.
Il permet de répondre à des questions de cours ou facilite la résolution d’exercices, à partir de 226 fiches de révision, chacune d’entre elles correspondant à des mots-clefs du programme de physique ou de biophysique.
De nombreuses QCM, avec leurs solutions détaillées, permettent aussi à l’étu- diant de vérifier ses connaissances et la compréhension de chaque thématique.
Pierre Peretti est professeur émérite à la faculté des sciences fondamentales et biomédicales de l'Université Paris-Descartes (Sorbonne Paris Cité).
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PACES PHYBIOSAN_S_deboeck 10/10/13 14:41 Page1
« N’admettez rien a priori si vous pouvez le vérifier » Rudyard Kipling
« Je ne cherche pas à connaître les réponses, je cherche à comprendre les questions »
Confucius
« Dans la vie, rien n’est à craindre, tout est à comprendre » Marie Curie
Livre 1.indb 1 20/11/13 08:37
Livre 1.indb 2 20/11/13 08:37
Toute la Physique et la Biophysique des études de santé
Fiches de revision et QCM
Livre 1.indb 3 20/11/13 08:37
Livre 1.indb 4 20/11/13 08:37
Toute la Physique et la Biophysique des études de santé
Fiches de révision et QCM
PACES UE3 et L2 médecine
Pierre PERETTI
Livre 1.indb 5 20/11/13 08:37
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© De Boeck supérieur s.a., 2013 Éditions De Boeck Université Rue des Minimes, 39 B-1000 Bruxelles
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Imprimé en Belgique
Dépôt légal : Bibliothèque Nationale, Paris : novembre 2013 Bibliothèque royale de Belgique, Bruxelles : 2013/0074/214 ISBN : 978-2-8041-8283-0
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VIIVII
Table des matières
DIMEnSIon, UnITéS ET DonnéES nUMéRIQUES ....................................................... 1 Les équations aux dimensions Le Système International (SI) d’unités ................... 3 Unités usuelles de masse ........................................................................................ 4 Unités usuelles d’énergie ........................................................................................ 5 Unités spéciales ...................................................................................................... 6 Données numériques .............................................................................................. 7 Multiples et sous-multiples des unités ..................................................................... 8 Lettres grecques usuelles ........................................................................................ 9
I. LA STRUCTURE DE LA MATIèRE ET LE MILIEU InTERIEUR ............................... 11
I-1-Structure macroscopique de la matière et éléments de thermodynamique ... 13 Les états fondamentaux de la matière ..................................................................... 15 Les états de la matière ............................................................................................ 15 Les changements d’état .......................................................................................... 16 Les états gazeux...................................................................................................... 17 Les transferts d’énergie ........................................................................................... 18 Les principales transformations thermodynamiques ............................................... 19 Les fonctions thermodynamiques ............................................................................ 20
I-2-Les solutions aqueuses et le milieu intérieur .................................................... 27 Caractéristiques physico-chimiques de l’eau ........................................................... 29 Solutions et solutés en phase liquide ...................................................................... 31 Modes d’expression des concentrations des solutions ............................................ 32 Cryoscopie et ébulliométrie des solutions aqueuses ............................................... 33 Acidité des solutions ioniques ................................................................................. 34 Basicité des solutions ioniques ................................................................................ 35 Les compartiments liquidiens de l’organisme .......................................................... 36 Méthode d’étude des compartiments hydriques : dilution d’un traceur .................... 37 Physiopathologie de l’équilibre hydrosodé. Perte isotonique en eau et en ions sodium. Perte de solution hypotonique ................................................... 38 Physiopathologie de l’équilibre hydrosodé. Apport isotonique en eau et en ions sodium. Apport de solution hypo-tonique ................................................ 40 Tableaux de situations pathologiques, de signes cliniques et de signes biologiques .......................................................................................... 42
I-3-éléments de physique quantique ........................................................................ 55 Les forces fondamentales de la nature .................................................................... 57 Les particules fondamentales .................................................................................. 59
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VIIIVIII
Table des matières
La dualité onde-particule ......................................................................................... 60 Les relations de Heisenberg .................................................................................... 61 Les moments cinétiques en physique quantique ..................................................... 62
II. ChARgES éLECTRIQUES ET éLECTRoPhySIoLogIE ....................................... 69
II-1-électrostatique ..................................................................................................... 71 La force électrostatique ........................................................................................... 73 Le champ électrostatique ........................................................................................ 74 Énergie potentielle électrostatique .......................................................................... 75 Potentiel électrostatique .......................................................................................... 76 Équipotentielles et lignes de champ ........................................................................ 77 Le condensateur plan .............................................................................................. 78 Énergie emmagasinée dans un condensateur ........................................................ 79 Le dipôle électrostatique .......................................................................................... 80 Potentiel et champ électrique créé par un dipôle ..................................................... 81 Les positions de Gauss ........................................................................................... 82
II-2-électrocinétique ................................................................................................... 95 Dynamique des particules chargées placées dans le vide sous l’action de champ électrique ou de champ magnétique ....................................................... 97 Mouvement des porteurs de charges dans un milieu matériel ................................ 98 Le courant électrique ............................................................................................... 99 Résistance et loi d’Ohm intégrale ............................................................................ 100 Lois de Kirchhoff des circuits électriques ................................................................ 101 Lois d’association des dipôles ................................................................................. 102 Les courants transitoires.......................................................................................... 103
II-3-La fibre nerveuse ................................................................................................. 111 Le potentiel membranaire des cellules excitables ................................................... 113 Modèle électrique de la membrane cellulaire au repos ........................................... 114 Le potentiel d’action (ou influx ne veux) .................................................................. 115 Variation des perméabilités membranaires ............................................................. 116 Propagation du potentiel d’action ............................................................................ 117
II-4-électrophysiologie du cœur ............................................................................... 121 Potentiel électrique d’un feuillet élémentaire ........................................................... 122 Potentiel créé par une fibre en oie d’activation ...................................................... 123 Le muscle cardiaque ............................................................................................... 124 Les potentiels d’action et l’électrocardiogramme ..................................................... 125 Principe du vectocardiogramme d’Einthoven........................................................... 126 Exemple de tracé cardiographique déduit du modèle de Einthoven ........................ 127 Les dérivations unipolaires frontales ....................................................................... 128
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IXIX
Table des matières
Les dérivations dipolaires frontales ......................................................................... 129 Les dérivations précordiales .................................................................................... 130 Les axes de Bailey ................................................................................................... 131 L’axe électrique du cœur .......................................................................................... 132 Les tracés électrocardiographiques ......................................................................... 133
III. LA CIRCULATIon DES FLUIDES .............................................................................. 139
III-1-Mécanique des fluides parfaits ......................................................................... 141 Statique des fluide ................................................................................................. 143 Applications physiques ............................................................................................ 144 La « tension » artérielle ........................................................................................... 145 Dynamique des fluides par aits ................................................................................ 146
III-2-Les phénomènes de surface ............................................................................. 161 La tension superficiell ............................................................................................ 163 Loi de Laplace ......................................................................................................... 164 Loi de Hooke............................................................................................................ 165
III-3-Les fluides réels .................................................................................................. 173 Viscosité et régimes d’écoulement d’un fluide rée .................................................. 175 Vitesse d’un fluide réel dans une conduite cylind ique ............................................ 176 Loi de Poiseuille des fluides réel ............................................................................ 177 La résistance hydraulique ........................................................................................ 178 Lois d’association des résistances hydrauliques ..................................................... 179 Passage du régime laminaire au régime turbulent .................................................. 180
III-4-Les fluides biologiques ...................................................................................... 187 Le sang : un fluide compl xe ................................................................................... 189 Le système circulatoire sanguin .............................................................................. 190 La pompe cardiaque ................................................................................................ 191 Travail du cœur ........................................................................................................ 192 Structure des parois vasculaires.............................................................................. 193 Loi de Hooke pour chaque type de fibr .................................................................. 194 Fonctionnement des artères élastiques ................................................................... 195 Fonctionnement des artères mixtes musculo-élastiques ......................................... 196 La ventilation pulmonaire ......................................................................................... 197
IV. DIFFUSIon ET TRAnSPoRT TRAnSMEMBRAnAIRE ............................................ 215
IV-1-Le transport de matière en milieu libre ............................................................ 217 Les déplacements de molécules ou d’ions en solution ........................................... 219 Potentiel chimique et diffusion de masse ................................................................ 220 Le débit de particules et l’équation de continuité ..................................................... 221
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XX
Table des matières
Définitions des débits de sol ant et de soluté .......................................................... 222 Transport par diffusion : la première loi de Fick ....................................................... 223 Transport par diffusion : la seconde loi de Fick ........................................................ 224 Transport par convection ......................................................................................... 225
IV-2-Transports passifs de particules neutres à travers les membranes ............. 231 Structure des membranes biologiques .................................................................... 233 Caractérisation physique des membranes .............................................................. 234 La diffusion : flux diffusif t ansmembranaire de solutés induit uniquement par un gradient de concentration ............................................................................. 235 L’osmose : flux diffusif t ansmembranaire de solvant induit uniquement par un gradient de concentration ............................................................................. 236 La filt ation : flux t ansmembranaire de solvant induit uniquement par un gradient de pression hydrostatique .............................................................. 237 Flux transmembranaire induit simultanément par un gradient de pression hydrostatique et un gradient de concentration ..................................... 238 Équilibre de Starling ................................................................................................ 239 Formation des œdèmes .......................................................................................... 240 Tonicité d’une solution ............................................................................................. 241 Échanges au niveau de la membrane glomérulaire rénale ..................................... 242 La filt ation glomérulaire rénale ............................................................................... 243
IV-3-Transports transmembranaires de particules chargées ................................. 253 Transport passif d’ions en solution induit par une force électrique .......................... 255 Transport passif d’ions en solution, induit par une différence de concentration et une différence de potentiel électrique .................................................................. 256 Équilibre de Donnan (ou Gibbs-Donnan) ................................................................ 257 Transport passif d’ions à travers les membranes cellulaires. Équation de Goldman ... 258 Le transport facilité .................................................................................................. 259 Le transport actif ...................................................................................................... 261
V. onDES ACoUSTIQUES ET onDES éLECTRoMAgnéTIQUES ............................. 273
V-1-éléments de mécanique ...................................................................................... 275 Travail et Puissance ................................................................................................. 277 Énergie .................................................................................................................... 278 Les vibrations .......................................................................................................... 279 Les vibrations périodiques non sinusoïdales ........................................................... 280 L’oscillateur harmonique .......................................................................................... 281 Énergie mécanique du ressort non amorti .............................................................. 282 Oscillations amorties et forcées. La résonance ....................................................... 283
V-2-Caractères généraux des ondes ........................................................................ 289 Ondes progressives sinusoïdales à une dimension spatiale ................................... 291
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XIXI
Table des matières
Ondes progressives sinusoïdales à deux ou trois dimensions spatiales ................. 292 Énergie, puissance et intensité d’une onde ............................................................. 293 Variation de l’intensité avec la distance à la source ................................................ 294 Superposition d’ondes et modulation d’amplitude ................................................... 295 Superposition d’ondes et ondes stationnaires ......................................................... 296 Réfl xion et transmission d’ondes à une dimension spatiale .................................. 297 L’effet Dopppler-Fizeau ............................................................................................ 298 Diffraction des ondes ............................................................................................... 299 Interférences de deux ondes ................................................................................... 300
V-3-Les ondes acoustiques ....................................................................................... 311 Ondes acoustiques .................................................................................................. 313 Ondes acoustiques sinusoïdales progressives ........................................................ 314 Puissance et Intensité acoustique ........................................................................... 315 Niveau des ondes sonores ...................................................................................... 316 Atténuation des ondes acoustiques ......................................................................... 317 Sons purs et sons complexes .................................................................................. 318
V-4-Les ondes électromagnétiques .......................................................................... 327 Paramètres des ondes électromagnétiques ............................................................ 329 Longueurs d’onde et fréquences des différents rayonnements électromagnétiques ... 330 Polarisation des ondes électromagnétiques ............................................................ 331 Diffraction des ondes lumineuses ............................................................................ 332 Le rayonnement thermique ou « rayonnement du corps noir » ............................... 333 Le rayonnement laser .............................................................................................. 334 Loi de Beer-Lambert ................................................................................................ 335 Diffusion Rayleigh de la lumière .............................................................................. 336 Diffraction des rayons X ........................................................................................... 337
VI. oPTIQUE ET VISIon .................................................................................................. 345
VI-1-optique géométrique ......................................................................................... 347 Les lois de base de l’optique géométrique .............................................................. 349 Objets et images, réels et virtuels ........................................................................... 351 Relation de conjugaison du dioptre sphérique ........................................................ 352 Foyers et distances focales du dioptre sphérique .................................................... 353 Construction d’images d’un objet à travers un dioptre sphérique ............................ 354 Les lentilles minces : marche des rayons lumineux ................................................. 355 Les lentilles minces : relation de conjugaison .......................................................... 356 Méthode de construction d’images : cas d’une lentille convergente ........................ 357 Images obtenues avec une lentille convergente ...................................................... 358 Images obtenues avec une lentille divergente ......................................................... 359
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XIIXII
La loupe ................................................................................................................... 360 Le microscope optique (ou photonique) .................................................................. 361
VI-2-La vision .............................................................................................................. 371 Structure optique de l’œil ......................................................................................... 373 Sensibilité de l’œil à la lumière ................................................................................ 374 Les voies optiques ................................................................................................... 375 L’accommodation ..................................................................................................... 376 L’acuité visuelle ........................................................................................................ 377 La myopie ................................................................................................................ 378 L’hypermétropie (ou hyperopie) ............................................................................... 379 Positions respectives du Punctum Remotum et du Puncum Proximum .................. 380 L’astigmatisme ......................................................................................................... 381 Les différents astigmatismes réguliers .................................................................... 382
VII. AToMES ET noyAUx RAyonnEMEnTS AToMIQUES ET nUCLEAIRES ........... 397
VII-1-Les niveaux d’énergie atomique et moléculaire ............................................. 399 Structure électronique des atomes .......................................................................... 401 Le moment cinétique orbital et le spin ..................................................................... 402 Spectre d’émission de l’atome d’hydrogène ............................................................ 403 Les forces inter-atomiques ...................................................................................... 404 Les niveaux d’énergie moléculaire .......................................................................... 405 Les différents types de spectroscopie ..................................................................... 406
VII-2-Le noyau atomique et les transitions radioactives ........................................ 413 Stabilité et instabilité des noyaux ............................................................................. 415 Le rayonnement gamma et la conversion interne .................................................... 416 Les différents types de transitions radioactives ....................................................... 417 L’émission alpha ...................................................................................................... 418 L’émission bêta moins (β-) ........................................................................................ 419 L’émission bêta plus (β+) .......................................................................................... 420 La capture électronique ........................................................................................... 421 Cinétique des transitions radioactives ..................................................................... 422 Variations respectives des populations de noyaux père et fil Cas du noyau fils sta le ........................................................................................... 423 Variations respectives des populations de noyaux père et fil Cas du noyau fils insta le ........................................................................................ 424
VIII. LES InTERACTIonS RAyonnEMEnTS MATIèRE ................................................. 433 VIII-1-Les mécanismes physiques de base de l’interaction photons-matière ...... 435
Absorption de photons par les atomes .................................................................... 437 Fluorescence et effet Auger ..................................................................................... 438
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XIIIXIII
Table des matières
Les rayonnements ionisants .................................................................................... 439 L’effet photoélectrique .............................................................................................. 440 La diffusion Compton ............................................................................................... 441 La matérialisation (ou création de paires) ............................................................... 443 Les paramètres de l’interaction photons-matière ..................................................... 444 Comparaison des effets ionisants élémentaires ...................................................... 445
VIII-2-Les interactions rayonnements particulaires-matière .................................. 455 Les paramètres de l’interaction................................................................................ 457 Caractères généraux de l’interaction ....................................................................... 458 Interaction de particules chargées légères avec la matière..................................... 459 Interaction de particules chargées lourdes avec la matière..................................... 460
VIII-3-Dosimétrie des rayonnements ionisants ....................................................... 465 Principaux facteurs de la dosimétrie des rayonnements ionisants .......................... 467 Les détecteurs de rayonnements ionisants ............................................................. 468 Les détecteurs d’ionisation à gaz ............................................................................ 469 Les détecteurs d’excitation ...................................................................................... 470 Définitions de dosimét ie ......................................................................................... 471 Paramètres énergétiques d’un faisceau de photons ................................................ 472 Cas d’une source ponctuelle radioactive de photons gamma ................................. 473 Dosimétrie en radioprotection .................................................................................. 474
VIII-4-Effets biologiques des rayonnements ionisants ........................................... 481 Les différents cas possibles d’irradiation ................................................................. 483 Les effets moléculaires des rayonnements ionisants .............................................. 484 Les effets cellulaires des rayonnements ionisants ................................................... 486 Taux de survie cellulaire en fonction de la dose absorbée ...................................... 487 Les effets sur les tissus ........................................................................................... 488 Les effets déterministes (non stochastiques) sur l’organisme ................................. 489 Les effets aléatoires (stochastiques) sur l’organisme .............................................. 491
Ix. L’IMAgERIE MéDICALE ............................................................................................ 499
Ix-1-Imagerie analogique et imagerie numérique ................................................... 501 Caractéristiques générales ...................................................................................... 503 Principe de l’imagerie numérique ............................................................................ 504 L’image numérique ................................................................................................... 505
Ix-2-L’imagerie radiologique ..................................................................................... 509 Les rayons X en médecine ...................................................................................... 511 Le tube radiogène de Coolidge ............................................................................... 512 Le spectre d’émission d’un tube à rayons X ............................................................ 513 Le faisceau de photons X ........................................................................................ 514
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XIVXIV
Ix-3-L’imagerie ultrasonore ....................................................................................... 527 Principe de l’exploration échographique .................................................................. 529 Les sondes ultrasonores ......................................................................................... 530 Modes d’exploration échographique ........................................................................ 531 Paramètres caractéristiques en échographie .......................................................... 532 L’imagerie Doppler ................................................................................................... 533
Ix-4-L’imagerie nucléaire ........................................................................................... 541 Caractéristiques générales de l’imagerie scintigraphique ....................................... 543 La gamma-caméra .................................................................................................. 544 La tomographie à émission de positons (TEP) ........................................................ 545
Ix-5-L’imagerie par résonance magnétique (IRM) ................................................... 549 Les sources macroscopiques de champ magnétique ............................................. 551 Le magnétisme à l’échelle de l’atome ..................................................................... 552 Le magnétisme à l’échelle du noyau atomique ........................................................ 553 Le magnétisme des matériaux ................................................................................ 554 Action d’un champ magnétique extérieur sur les niveaux d’énergie ........................ 555 La résonance magnétique nucléaire ....................................................................... 556 La relaxation du moment magnétique nucléaire ...................................................... 557 Le signal de résonance magnétique nucléaire ........................................................ 558 Le codage spatial et l’image .................................................................................... 559 Agents de contraste en IRM .................................................................................... 560
InDEx .................................................................................................................................. 565
33
Les équations aux dimensions Le Système International (SI) d’unités
Grandeurs fondamentales  Mécanique : longueur L ; masse M ; temps T  Électricité et magnétisme : longueur L ; masse M ; temps T ; intensité du courant
électrique I
• électricité et magnétisme : [G] = La Mβ Tg Id
Système d’unités internationales (SI) L : mètre (m) ; masse : kilogramme (kg) ; temps : seconde (s) ; intensité : Ampère (A)
Grandeurs usuelles et unités SI
[force] = MLT–2 kg · m · s–2 Newton (N)
[pression] = ML–1T–2 kg · m–1 · s–2 Pascal (Pa)
[viscosité] = ML–1T–1 kg · m–1 · s–1 Poiseuille (Pl) ou Pa · s
[énergie] = ML2T–2 kg · m2 · s–2 Joule (J)
[puissance] = ML2T–3 kg · m2 · s–3 Watt (W)
[charge électrique] = IT A · s Coulomb (C)
[potentiel, tension] = ML2T–3I–1 kg · m2 · s–3 · A–1 Volt (V)
[champ électrique] = MLT–3I–1 kg · m · s–3 · A–1 Volt/mètre (V/m)
[champ magnétique] = MT–2I–1 kg · s–2 · A–1 Tesla (T) Volt · seconde/mètre2 (V · s/m2)
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Unités usuelles de masse
Le MeV/c2
Unité de masse déduite de la relation d’Einstein reliant la masse m d’un objet à son énergie E :
E = mc2
c : vitesse limite des lois de la relativité restreinte c : vitesse de la lumière dans le vide c = 3 · 108 m/s
La masse m d’une particule peut donc être exprimée en unité d’énergie divisée par c2 : en Joule/c2 dans le système international (SI) ou en MeV/c2. Exemple : masse d’un électron : me = 0,9 · 10–30 kg = 0,511 MeV/c2
L’unité de masse atomique En physico-chimie du noyau atomique, une autre unité de masse est employée : l’unité de masse atomique. Elle est en général notée « u » ou « uma ». Elle est, par définition, égale au douzième de la masse d’un atome de Carbone 12.
1 uma = 1,66 · 10–27 kg = 931,5 MeV/c2
Exemple : masse de l’électron me = 0,54 · 10–3 uma
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55
Unités usuelles d’énergie
[énergie] = ML2T–2
Le kg · m2 · s–2 est appelé Joule
L’électronvolt L’électronvolt (eV) est égal à l’énergie potentielle acquise par un électron soumis à une différence de potentiel de 1 Volt :
1 eV = 1,6 · 10–19 Joule
Unités dérivées de l’électron-Volt : 1 keV = 103 eV 1 MeV = 103 keV = 106 eV 1 GeV = 103 MeV = 106 keV = 109 eV
Repérage d’un rayonnement par son nombre d’onde angulaire En spectroscopie, on peut exprimer l’énergie en nombre d’onde angulaire (inverse de la longueur d’onde).
n = E hc
h = 6,62 · 10–34 J · s c = 3 · 108 m/s
Relation entre longueur d’onde et énergie dans le cas des photons Expression de la longueur d’onde l dans le vide (exprimée en nanomètres) du rayonnement électromagnétique, en fonction de l’énergie E (exprimée en électronvolt) du photon associé.
l l= → =hc E
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Unités spéciales
Radioactivité et dosimétrie 1 Gray (Gy) = 1 J/kg unité de dosimétrie des rayonnements ionisants 1 Sievert (Sv) = 1 J/kg unité de dosimétrie en radioprotection 1 Becquerel (Bq) = 1 désintégration par seconde (s–1) : unité de radioactivité 1 rad (rd) = 10–2 J/kg = 10 mGy unité d’énergie en dosimétrie 1 rem (rem) = 10–2 J/kg = 10 mSv unité de dosimétrie en radioprotection 1 Curie (Ci) = 3,7 · 1010 désintégrations par seconde (s–1) : unité de radioactivité 1 Roentgen (R) = 2,58 · 10–4 C/kg unité de dose ionique
Physique quantique, atomique et moléculaire 1 électron-volt (eV) = 1,6 · 10–19 J 1 kiloélectron-volt (keV) = 103 eV = 1,6 · 10–16 J 1 mégaélectron-volt (MeV) =106 eV = 1,6 · 10–13 J 1 gigaélectron-volt (GeV) =109 eV = 1,6 · 10–10 J 1 unité de masse atomique (u) ou (uma) = 1,66 · 10–27 kg = 931,5 MeV/c2
1 mec 2 = énergie équivalente de la masse de l’électron au repos = 0,511 · 106 eV = 8,18 · 10–14 J
1 Debye (D) = 3,336 · 10–30 C · m
Mécanique, thermique 1 bar (bar) = 105 Pa 1 atmosphère (atm) = 1,013 · 105 Pa 1 torr (Torr) = 1 mm de mercure = 133,322 Pa 1 calorie (cal) = 4,18 J 1 Hertz (Hz) = 1 s–1
1 litre (L) = 10–3 m3
1 tonne = 103 kg
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Données numériques
Constantes masse de l’électron (me) = 9,1 · 10–31 kg = 0,511 MeV masse du proton (mp) = 1 836 me
masse du neutron (mn) = 1 839 me
charge élémentaire (e) = 1,6 · 10–19 C charge de l’électron (qe) = – 1,6 · 10–19 C vitesse de la lumière dans le vide (c) = 3 · 108 m/s constante de Planck (h) = 6,62 · 10–34 J · s énergie d’ionisation d’un atome d’hydrogène dans son état fondamental = 13,6 eV accélération de la pesanteur (g) = 9,8 m · s–2
constante fondamentale de l’électrostatique (K) = 9 · 109 N · m2 · C–2
permittivité diélectrique du vide (e0) = 8,85 · 10–12 kg–1 · m–3 · A2 · s4
perméabilité du vide (m0) = 4p · 10–7 kg · m · A–2 · s–2
constante de Faraday () = 96 500 C masse volumique de l’eau (reau) = 103 kg · m–3
masse volumique du mercure (rHg) = 13,6 · 103 kg · m–3
nombre d’Avogadro (AV) = 6,02 · 1023
constante de Boltzmann (kB) = 1,38 · 10–23 J/K constante des gaz parfaits (R) = 8,31 J · K–1 · mol–1 = 0,082 L · atm · K–1 · mol–1
Masses molaires usuelles (g · mol-1) H : 1 C : 12 N : 14 O : 16 Na : 23 Cl : 35,5 K : 39 P : 32 Ca : 40 eau : 18 urée : 60 glucose : 180 albumine : 70 000
Nombres usuels p = 3,1416 ; e = 2,7183 ; 2√ = 1,414 ; 3√ = 1,732
log 2 = 0,30 ; log 3 = 0,48 ; log 5 = 0,69 ; log 6 = 0,78 ; log 7 = 0,85 ; log 8 = 0,90 ; log 9 = 0,95, ln 10 = 2,30
sin p 6
= 1 ; cos p 2
88
Multiples des unités
99
Lettres grecques usuelles
I
et le milieu intérieur
Plan
I-1- Structure macroscopique de la matière et éléments de thermodynamique I-2- Les solutions aqueuses et le milieu intérieur I-3- Éléments de physique quantique
Livre 1.indb 11 20/11/13 08:37
Livre 1.indb 12 20/11/13 08:37
I-1-Structure macroscopique de la matière et éléments de thermodynamique
Livre 1.indb 13 20/11/13 08:37
Livre 1.indb 14 20/11/13 08:37
1515
Structure macroscopique de la matière et éléments de thermodynamique I
Les états de la matière
Notion de phase Une phase est un état stable d’un échantillon homogène de matière, à une température et une pression fixées. Les gaz sont miscibles entre eux et un mélange de gaz ne constitue donc qu’une seule phase.
Classification des mélanges de phases : états dispersés Les états dispersés sont par définition des états dans lesquels deux phases non miscibles sont présentes
Aérosol : très fines gouttelettes de liquide dispersées dans un gaz Aérosol solide : très fines particules de solides dans un gaz Émulsion : mélange de deux liquides non miscibles Gel : liquide dispersé au sein d’un solide Mousse : gaz dispersé dans un liquide Mousse solide : gaz dispersé dans un solide Sol : solide dispersé dans un liquide Sol solide : solide dispersé dans un autre solide
Les états fondamentaux de la matière
État solide Solide cristallin ionique ou moléculaire : ordre de position Solide amorphe ou vitreux : désordre d’orientation
États fluides État liquide : état désordonné cohérent et dense, incompressible État gazeux : état désordonné non dense, dispersion des molécules, compressible
États mésomorphes Cristaux liquides Membrane biologique (mosaïque fluide)
Livre 1.indb 15 20/11/13 08:37
1616
La structure de la matière et le milieu intérieur I
Les changements d’état
Pression
Température100 °C0 °C
Le diagramme Pression-Volume : cas de la transformation isotherme d’un gaz.
Pression
Volume
B
VGVL
 Un gaz réel se comporte comme un gaz parfait (loi de variation hyperbolique P = nR T/V) pour les basses pressions et les températures supérieures à la température critique TC
 Pour T < TC, il existe un palier de liquéfaction où la pression reste constante tant que la transition gaz-liquide n’est pas complète.
Livre 1.indb 16 20/11/13 08:37
1717
Structure macroscopique de la matière et éléments de thermodynamique I
Les états gazeux
Équation d’état des gaz parfaits
PV = nRT P : pression,V : volume, T : température absollue n : nombre de moles R = 8,31J mol K : consta–1 –1⋅ ⋅ nnte des gaz parfaits
R = k N
–23 –1⋅ ⋅ oonstante de Boltzmann = 6,02 10 : nombre d’AAV
23 ⋅ vvogadro
p
pression partielle des n moles du gaz i= :
Température et énergie cinétique La température est une grandeur intensive (non additive) liée à l’agitation des molécules
Énergie cinétique moyenne d’une moléculed’un gaz pparfait monoatomique
E k T
k J K
: constante de Boltzmann
température aT t= + bbsolue (degrés Kelvin) température exprimée et : nn degrés Celsius
Les gaz réels
P n a V
a : coefficient appelé « pression interne » b : cooefficient appelé « covolume »
Livre 1.indb 17 20/11/13 08:37
1818
La structure de la matière et le milieu intérieur I
Les transferts d’énergie
U Ne Nec p= +
mmodynamique e valeur moyenne de l énergie cinéc : ’ ttique des molécules e valeur moyenne de l énergp : ’ iie potentielle des molécules
U ne dépend que de la ttempérature dans le cas d un gaz parfait’
Travail  Échange d’énergie entre un système et le milieu extérieur, sous l’action de forces
extérieures  Cas d’un gaz enfermé dans un cylindre fermé par un piston pouvant coulisser sans
frottement, lors d’une transformation quasistatique
t
→ = − eext
A
B
ext
dV
dV : varriation de volume infinitésimale
Chaleur Énergie liée au degré d’agitation thermique des molécules du système thermodynamique
Unités : Â unité SI : Joule (J) Â autre unité : calorie (quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 °C la température
d’un gramme d’eau)
Q Joule J cal Q calories( ) , ( ) ( )= ×4 18 /
Le premier principe de la thermodynamique Au cours d’une transformation thermodynamique, un système peut échanger de l’énergie avec le milieu extérieur, sous forme de travail W et de chaleur Q, en faisant varier de DU son énergie interne
DU W Q= + L’énergie interne d’un système resteisolé cconstante :
: DU
=
>
0
0 èème reçoit de la chaleur W l environnement four> 0 ’ nnit du travail au système
Livre 1.indb 18 20/11/13 08:37
1919
Structure macroscopique de la matière et éléments de thermodynamique I
Les principales transformations thermodynamiques
Transformations faisant passer un système d’un état thermodynamique A à un autre état B
Transformations isothermes La température reste constante
u u
− =
= = −
= ⋅
→ → →
−
constante des gaz parfaits températue abssolue
Transformations adiabatiques Pas d’échange de chaleur avec le milieu extérieur pendant la transformation
Q W U U
A B
Transformations isobares La pression reste constante pendant la transformation
W P V V Q H H P P P H enthalpie d
A B B A A B B A
A B
c p
Transformations isochores Le volume reste constant pendant la transformation
W U U Q dU dQ c dT
c chaleur spécifi
2020
La structure de la matière et le milieu intérieur I
Les fonctions thermodynamiques
= + : : :
L’entropie S
transformation réversible d’un système d’un état 11à un état 2
DS S S Q T
unité J mol
: ⋅⋅ −K 1
Le second principe de la thermodynamique  Toute évolution spontanée d’un système isolé va dans le sens d’une entropie croissante.
L’équilibre est atteint quand l’entropie est maximale. Â L’enthalpie libre G (ou enthalpie de Gibbs, ou énergie libre)
G H TS U PV TS H enthalpie T température abso
= − = + − : ; : llue S entropie
: ; : ;interne VV volume:
Le potentiel chimique Potentiel chimique : enthalpie libre molaire d’un soluté i en solution
m m
constante des gaz parfaits tt C
Ci
° + 273 température absolue concentratioon du soluté
Le potentiel électrochimique Dans le cas d’un constituant i chargé électriquement et soumis à un potentiel V, le potentiel chimique mi, est remplacé par le potentiel électrochimique mi (appelé mi tilda)
mi = mi + zi V zi : valence de l’ion i ; Faraday = 96 500 C avec mi = m0
i + RT ln Ci
21
énoncé commun aux question 1 et 2
On considère un système isolé constitué de 2 moles d’un gaz parfait qui peuvent passer réversiblement d’un état A (PA, VA, TA = 300 K) à un état B (PB = 3PA, VB, TB) par deux transformations distinctes. On donne ln 3 ≈ 1,1
Question 1
La première transformation est isotherme. Déterminer la ou les proposition(s) exacte(s) : A. Le travail mis en jeu est de l’ordre de 300 J B. Le travail mis en jeu est de l’ordre de 5 400 J C. La chaleur mise en jeu est de l’ordre de – 300 J D. La chaleur mise en jeu est de l’ordre de – 2 700 J E. Aucune des propositions précédentes n’est exacte
Question 2
La seconde transformation comporte deux étapes : elle est d’abord isochore, puis isobare. Déterminer la ou les proposition(s) exacte(s) : A. Le travail mis en jeu est de l’ordre de 104 J B. Le travail mis en jeu est de l’ordre de – 106 J C. La chaleur mise en jeu est de l’ordre de – 105 J D. La chaleur mise en jeu est de l’ordre de 106 J E. Aucune des propositions précédentes n’est exacte
énoncé commun aux question 3 et 4
Une mole de gaz parfait subit une transformation qui la fait passer de l’état 1 (P1, V1) à un état 2 (P2, V2) par deux parcours distincts.
V1V2
P1
P2
22
QC M Question 3
La mole de gaz passe de l’état 1 à l’état 2 par une suite de deux transformations, le chemin réversible suivi étant AC puis CB. Déterminer la proposition exacte : Le travail mis en jeu entre les états 1 et 2 est :
A W B W P V P V C W P V P
A C B
A C B
A C B
1 1 1 2
1 2 22 1
1 1 1 2
1 2 2 1
V D W P V P V E W P V P V
A C B
A C B
Question 4
La mole de gaz passe de l’état 1 à l’état 2 par une suite de deux transformations, le chemin réversible suivi étant AD puis DB. Déterminer la proposition exacte : Le travail mis en jeu entre les états 1 et 2 est :
A W B W P V P V C W P V P
A D B
A D B
A D B
2 1 2 2
1 1 22 1
2 1 2 2
1 1 2 1
V D W P V P V E W P V P V
A D B
A D B
Question 5
Déterminer la (ou les) proposition(s) exacte(s) : L’énergie interne, A. d’un système isolé augmente avec la température B. d’un système isolé est constante quand le volume augmente C. d’un gaz parfait est fonction de sa pression D. d’un gaz parfait est fonction de son volume E. d’un gaz parfait est fonction de sa température
Question 6
On assimile l’air ambiant à un gaz parfait de masse molaire égale à 29 g/mol. Déterminer la réponse exacte. Si la température de l’air est de 27 °C, et si la pression de l’air est de 105 Pa, sa masse volumique est de l’ordre de :
Livre 1.indb 22 20/11/13 08:37
23
B. 1,05 kg · m–3
C. 1,12 kg · m–3
D. 1,16 kg · m–3
E. 1,22 kg · m–3
On donne la constante des gaz parfaits R = 8,31 J · mol–1 · K–1
Question 7
Une enceinte contient un mélange de 0,45 mole d’oxygène et de 0,55 mole d’hélium sous la pression de 4 atmosphères. Déterminer la proposition exacte. La pression partielle de l’oxygène est égale à : A. 1,8 atm B. 2,2 atm C. 2,5 atm D. 2,7 atm E. 3,4 atm
Livre 1.indb 23 20/11/13 08:37
24
Question 1 Réponse B
Transformation isotherme : T A= TB = 300 K Travail mis en jeu :
dW P dV W P dV nRT dV V
nRT V V
P P
B
B
A A B= → = = → ≈ × × × ≈ ×→B 3 2 8 31 300 11 2, , 99 3 10 5 4002× × = J
Chaleur mise en jeu : T T U UB A B A= → = → = − = −Q W J5 400
L’état B est caractérisé par PB = 3 PA ; VB = VA/3 ; TB = TA
Question 2 Réponse A
Trnasformation isochore suivie d’une transformation isobare Travail mis en jeu : Transformation isochore : V constante W –Pd= → =d VV 0 W 0
Transformation isobare (P 3P isochore
A
isobare B Ad
= − −

W P V Visobare A
A3 = = → = × × × ≈2 2 2 2 8 31 300 104P V nRT W JA A A isobare ,
Chaleur mise en jeu
T T U UA B Afinal A BQ W J= → = → = − = −→ 104
Question 3 Réponse B
Chemin ACB : transformation isobare suivie d’une transformation isochore Travail mis en jeu : W W W W P V V W trans
A C B A C C B
A C
C B
)
Livre 1.indb 24 20/11/13 08:37
25
W transformation isochor A D B A D D B
A D
W D B
Question 5 Réponse E
Premier principe de la thermodynamique : l’énergie interne d’un système isolé est constante : propositions A et B inexactes L’énergie interne d’un gaz parfait ne dépend que de sa température : proposition E exacte et propositions C et D inexactes.
Question 6 Réponse D
n = m M
et = m V
= 1,16 kg m 5 –3
–3× ⋅ ×
p : pressio O
He
2
nn partielle de l’hélium p V = n RT et p V = n RTO O He He2 2
PP = p + p = 4 atm
addition terme à terme PV = n + O He
O
2
O O2 2
1-2-Les solutions aqueuses et le milieu intérieur
Livre 1.indb 27 20/11/13 08:37
Livre 1.indb 28 20/11/13 08:37
2929
Caractéristiques physico-chimiques de l’eau
Masse volumique
eau liquide (4 °C) : = 10 kg m glace : = 0,91 1
3 –3r
⋅
⋅ 00 kg m volume occupé par une mole d’eau : v =
3 –3
118 cm3
Moment dipolaire
p = 1,84 D (Debye) 1 Debye = 3,336 10 C m– 30⋅ ⋅
Dissociation ionique de l’eau
H O H + OH
+ –→
le proton H est en H O
–14
+ 2
[ ]H O = 55,56 mol/L2
La dissociation de l’eau est fonction de la températture : à 25 °C K = 10 mol L pH = 7
à 37 °C H O
–14 2 –2 2
à 37 °C solutio H O
–14 2 –2 2
Capacité calorifique
c = 75 J mol K = 18 cal mol K c = 4,18 J K
–1 –1 –1 –1
Permittivité diélectrique
= = 80 permittivité relative de l’eau : p
0 r
3030
La structure de la matière et le milieu intérieur I
Solvatation et hydratation  Solvatation : Chaque ion en solution s’entoure d’un certain nombre de molécules de
solvant  Hydratation : solvatation quand le solvant est l’eau
Exemples d’hydratation : 4 molécules d’eau pour K+, 8 molécules d’eau pour Na+
Dissolution des gaz dans une solution aqueuse
Loi de Henry C = K p
C : co gaz dissous
nncentration du gaz dissous dans l’eau
K : constanH tte de Henry (fonction de la température et de la natuure du gaz) p : pression partielle du gaz au-desgaz ssus de la solution
Livre 1.indb 30 20/11/13 08:37
3131
Solutions et solutés en phase liquide
Définitions  Solution : mélange homogène en phase liquide de molécules et d’ions  Solvant : composant majoritaire
exemples : eau, plasma sanguin… Â Solutés : dissous en proportions faibles
exemples : oxygène, sucre, urée, électrolytes…
Les différents types de solutions  solution cristalloïde : solutés de petite taille (ions ou molécules neutres de quelques
dizaines d’atomes) Â solution macromoléculaire : solutés de masse moléculaire élevée (plus de 103 g · mol–1) Â suspension : solution non homogène contenant des « agrégats moléculaires » de masse
faible au niveau microscopique mais ne sédimentant pas  états colloïdaux : états intermédiaires entre la solution macromoléculaire et la suspension  solution idéale : les forces entre molécules de solvant ne sont pratiquement pas
modifiées par la présence de molécules de soluté. C’est le cas généralement des solutions ayant de très faibles concentrations de soluté.
Livre 1.indb 31 20/11/13 08:37
3232
La structure de la matière et le milieu intérieur I
Modes d’expression des concentrations des solutions
 Chaque molécule ou ion de soluté constitue une « unité cinétique »  Une « osmole » (osm) représente un nombre d’unités cinétiques égal au nombre
d’Avogadro AV 1 osm = AV unités cinétiques ; AV = 6,02 · 1023
 Nombre d’osmoles de solutés présentes dans la solution après dissociation
n = C 1+ (n 1) C : concentration molaire du sol
osm [ – ]a uuté
n : nombre d’entités libérées lors de la dissociiation : coefficient de dissociationa
 En biologie et médecine : solvant = eau 1 kg d’eau contient (1 000/18) moles d’eau, soit 55,556 moles d’eau, et occupe
approximativement un volume de 1 litre d’eau. La concentration molale est parfois exprimée en mol/litre d’eau alors qu’on devrait l’exprimer en mol/kg d’eau.
Mesure Unité SI Sous-unités
usuelles
Concentration pondérale Masse de soluté par unité de volume de la solution
kg · m–3 g · L–1, ng · mL–1
Fraction massique (titre)
Rapport de la masse de soluté par unité de masse de la solution
en %
Concentration molaire (molarité)
Nombre de moles de soluté par unité de volume de solution
mol · m–3 mmol · L–1
Concentration molale (molalité)
Nombre de moles de soluté par unité de masse de solvant
mol · kg–1 mmol · L–1 d’eau
Concentration osmolaire (osmolarité)
osm · m–3 mOsm · L–1
Concentration osmolale (osmolalité)
osm · kg–1 mOsm · L–1 d’eau
Concentration équivalente Nombre de moles de charges élémentaires, positives ou négatives, par unité de volume de la solution
Eq · m–3 mEq · L–1
Livre 1.indb 32 20/11/13 08:37
3333
Cryoscopie et ébulliométrie des solutions aqueuses
Cryoscopie  Abaissement de la température de congélation d’une solution aqueuse par rapport à
celle de l’eau pure
Loi de Raoult = K (solution idéale très diluée)Dq w
DDq : delta cryoscopique = abaissement de la tempéraature K = –1,86 K osm : constante cryoscopique d–1⋅ ee l’eau
: osmolalité de la solutionw
Dq = – 0,54 °C
Ébulliométrie Élévation DTébull du point d’ébullition d’une solution aqueuse par rapport à celle de l’eau pure
DT = K (solution idéale très diluée)ébul ébull × w
KK = 0,51K osm : constante d’ébullioméébull –1⋅ ttrie de l’eau
: osmolalité de la solutionw
3434
La structure de la matière et le milieu intérieur I
Acidité des solutions ioniques
pH = –log H
+ mol / L[ ]
+ – – 7[ ] [ ]O ⇒ iion acide pH < 7 ; solution basique pH > 7
L’eau pure  Réaction d’autoprotolyse : l’eau pure contient des ions oxonium H3O
+ H2O + H2O = HO–
+]éq = 10–7 mol · L–1
 La constante d’équilibre de la réaction (produit ionique de l’eau) est indépendante de la présence d’autres substances dissoutes, mais dépend de la température
à 25 °C, Ke = [HO–]éq × [H3O +]éq = 10–14
Dissolution des acides
+] [AH]
KA : constante de dissociation de l’acide AH KA : constante d’acidité du couple acide-base AH/A–
pKA = – log10KA
pH d un acide fort pH Cmol L’ : log /= − 10
condition d’application : solutions diluées C < 10–2 mol · L–1
Acide faible Dissociation partielle d’un acide faible AH : A– base conjuguée de l’acide AH
pH d’un acide faible : pH = 1 2
pK – log CA 10 mol/L( )
Conditions d’application : – solutions diluées C < 10–2 mol · L–1 – acide peu dissocié a < 10–1
Livre 1.indb 34 20/11/13 08:37
3535
Basicité des solutions ioniques
K = BH OH B
+
pH d’une base forte : pH = 14 + log C10 mol/L
condition d’application : solutions diluées C < 10–2 mol/L
pH d’une base faible : pH = 7 + 1
2 pK + 1
2 log CA 10 mol/L
conditions d’application : – solutions diluées C < 10–2 mol/L – base peu dissociée a < 10–1
Systèmes tampons Système tampon : mélange en solution d’un acide faible AH et de sa base conjuguée, dans des proportions du même ordre de grandeur (dans un rapport de 0,1 à 10). La variation de pH, induite par l’apport d’une solution de base ou d’acide, est beaucoup plus faible dans le système tampon que dans l’eau pure.
K = [A ] [H ] [AH]
pH = pK + log c
cAH
Le pouvoir tampon est maximum à la demi-équivalence, quand [A–] = [AH]. On a alors pH = pKA
Livre 1.indb 35 20/11/13 08:37
3636
La structure de la matière et le milieu intérieur I
Les compartiments liquidiens de l’organisme
Eau totale • environ 60 % de la masse corporelle • pourcentage inférieur chez la femme • pourcentage inférieur chez la personne âgée • pourcentage supérieur chez le nourrisson
Liquide intracellulaire (LIC)  environ 2/3 de l’eau totale chez un adulte, 40 % de la masse corporelle  fortes variations de la composition suivant le type de cellules  osmolarité : de l’ordre de 300 mOsm/L  principal cation : K+
 autres cations : Na+, Mg++, Ca++
–
Liquide extracellulaire (LEC) Â environ 1/3 de l’eu totale, séparés par les parois des capillaires sanguins :
• secteur plasmatique : 7 % de l’eau totale (4 % de la masse corporelle) • secteur interstitiel : 28 % de l’eau totale (16 % de la masse corporelle)
 osmolarité : environ 300 mOsm/L  principal cation des compartiments plasmatique et interstitiel : le sodium Na+ (92 % des
cations du LEC) Â autres cations : K+, Ca++, Mg++
 principaux anions : Cl–, HCO3 –
Liquides transcellulaires • environ 2 % de l’eau totale • liquide céphalo-rachidien • liquides des cavités séreuses
Définitions  Natrémie : concentration molaire de sodium par litre de plasma (valeur normale dans
l’organisme : environ 142 mmol/L) Â Protéinémie (ou protidémie) : concentration de protéines dans le plasma (normale
70 g/L environ) Â Hématocrite : rapport du volume occupé par les globules rouges sur le volume total du
sang (valeur normale : environ 45 %) Â Volémie : volume sanguin global
Livre 1.indb 36 20/11/13 08:37
3737
Méthode d’étude des compartiments hydriques : dilution d’un traceur
Dilution d’un traceur : Méthode d’étude des compartiments hydriques la plus utilisée
Définition d’un traceur Substance non métabolisée, facilement détectable et mesurable, diffusant en principe uniquement dans le compartiment étudié.
Principe de la mesure du volume d’un compartiment liquidien  introduction d’une quantité connue (n moles) d’un traceur dans l’organisme  prélèvement d’un échantillon après que l’équilibre de diffusion du traceur soit atteint.  mesure de la concentration C du traceur dans l’échantillon prélevé  calcul du volume V du compartiment :
V = n C
Si le traceur est une substance endogène (existant dans l’organisme), il est nécessaire de marquer radio-activement le traceur introduit dans l’organisme pour la distinguer de la substance déjà présente dans l’organisme
Exemples de traceurs  pour la mesure du volume extracellulaire : mannitol, sulfate radioactif  pour la mesure du volume plasmatique : albumine radio-active  pour la mesure de l’eau totale de l’organisme : urée radio-active, eau radioactive,
antipyrine
3838
La structure de la matière et le milieu intérieur I
Physiopathologie de l’équilibre hydrosodé Perte isotonique en eau et en ions sodium
Perte de solution hypotonique
Les additions ou pertes d’eau ou de substances osmotiquement actives, essentiellement les ions sodium, affectent en premier lieu le milieu extracellulaire (EC)
Situation pathologique 1 : perte isotonique en eau et en ions sodium Perte simultanée et proportionnelle d’eau et d’ions sodium
 origine : brûlures étendues, vomissements aigus, certaines insuffisances rénales
 conséquences : déshydratation extracellulaire isolée • milieu EC : déshydratation avec pression osmotique inchangée • pas de transport d’eau entre milieu intracellulaire (IC) et milieu EC • pas de modification du milieu IC
 signes biologiques : • natrémie normale car perte simultanée d’eau et d’ions sodium • hématocrite augmenté car perte d’eau (volume sanguin diminué) sans modification
du nombre de globules rouges dans le lit vasculaire • protéinémie augmentée (hyperprotéinémie) car perte d’eau (volume plasmatique
diminué) sans modification des protéines dans le lit vasculaire
 signes cliniques : perte de poids rapide, persistance du pli cutané (perte d’élasticité de la peau), hypotension artérielle
Situation pathologique 2 : perte de solution hypo-tonique Perte d’eau avec perte moindre d’ions sodium
 origine : diarrhée aigüe du nourrisson, sudation exagérée chez le nourrisson, insuffisance d’apport d’eau, certaines atteintes rénales
 conséquences : déshydratation globale (associant déshydratation EC et déshydratation IC) • milieu EC : déshydratation avec augmentation de la pression osmotique • transport d’eau du milieu IC vers le milieu EC, visant à rétablir l’équilibre isotonique
entre les deux compartiments • milieu IC : apparition d’une déshydratation
 signes biologiques : • hématocrite augmenté (liée à la déshydratation EC) • protéinémie augmentée (liée à la déshydratation EC)
Livre 1.indb 38 20/11/13 08:37
3939
Les solutions aqueuses et le milieu intérieur I
• natrémie augmentée ; la déshydratation IC correspond à une augmentation de la pression osmotique IC. Du fait de l’équilibre osmotique entre les deux compartiments, le compartiment EC est également hypertonique, et les ions Na+ représentant environ 90 % des cations extracellulaires, la natrémie est augmentée
Remarque : bien que l’ion sodium soit essentiellement extracellulaire, la natrémie donne des informations concernant le milieu intracellulaire : une hypernatrémie témoigne d’une déshydratation intracellulaire, une hyponatrémie d’une hyperhydratation intracellulaire
 signes cliniques : persistance du pli cutané, hypotension artérielle, soif, sécheresse des muqueuses (notamment au niveau de la face interne des joues)
Livre 1.indb 39 20/11/13 08:37
4040
La structure de la matière et le milieu intérieur I
Physiopathologie de l’équilibre hydrosodé Apport isotonique en eau et en ions sodium
Apport de solution hypo-tonique
Situation pathologique 3 : apport isotonique en eau et en ions sodium Il s’agit d’un apport simultané et proportionnel d’eau et d’ions sodium
 origine : perfusion de soluté salé isotonique
 conséquences : il s’agit d’une hyperhydratation extracellulaire isolée • milieu extracellulaire : hyperhydratation avec pression osmotique inchangée • pas de transport d’eau entre milieu intracellulaire et milieu extracellulaire • pas de modification du milieu intracellulaire
 signes biologiques : • natrémie normale car apport simultané d’eau et d’ions sodium • hématocrite diminué • protéinémie diminuée (hypoprotéinémie)
 signes cliniques
• prise de poids rapide • œdèmes (augmentation du volume liquidien interstitiel) • augmentation de la pression artérielle pouvant aller jusqu’à une hypertension artérielle
Situation pathologique 4 : apport de solution hypotonique
Il s’agit d’un apport d’eau avec apport moindre d’ions sodium
 origine : perfusion d’une solution hypotonique
 conséquences : • milieu extracellulaire : hyperhydratation avec diminution de la pression osmotique • transport d’eau du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire, visant à rétablir
l’équilibre isotonique entre les deux compartiments • milieu intracellulaire : apparition d’une hyperhydratation • il s’agit d’une hyperhydratation globale (associant hyperhydratation extracellulaire et
hyperhydratation intracellulaire)
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Index
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Index
de photons 437 accélérateur linéaire 445 accommodation 376 acide 34
faible 34 fort 34
activation 123 activité A 422 acuité visuelle 377 adhérence 175 ADN 484 aérosol 15 agents de contraste en IRM 560 aimant 551, 559 aimantation
longitudinale 556 transversale 556
alvéoles 197 amétropie sphérique 378, 379 amplificateur de luminance 47 amplification 33 amplitude
d’accommodation A 376 de l’onde 291
angles de contact 163 anions 98 antenne 559 antineutrino 419 antiparticules 59 antiquark 59 aorte 190 apoptose 486 apport
hypertonique 42 hypotonique 42 isotonique 42
artéfact 518, 531, 559 artère
élastique 193, 194, 195 mixte 193 musculo-élastique 194, 196
artériole afférente 242 efférente 242
arythmie 133 astigmatisme 381
conforme à la règle 382 hypermétropique composé 382 hypermétropique simple 382 irrégulier 381 mixte 382 myoptique composé 382 myoptique simple 382 non conforme à la règle 382 régulier 381
atmosphère 143 atome 401
d’hydrogène 403 ATP 261 atténuation 317 autoprotolyse 34 axe
de Bailey 131 électrique du cœur 132
axone 117
B bandelette optique 375 bande passante 530 bar 143 barrette 517 baryons 59 base 35 bâtonnets 374
Livre 1.indb 566 20/11/13 08:40
567567
Index
Becquerel 422 Bel 316 bobines de gradients 559 bosons 58, 59 bottom 59 bouton synaptique 117 bradycardie 133 Bremsstrahlung 513 Brewster 331 brillance 504, 516
C capacité 78
calorifique 2 vitale 197
capillaire 193 péritubulaire 242
capillarité 163 capsule de Bowman 242 capture électronique 421 capture K 421 cations 98 célérité 291, 349 cellules
excitables 113 musculaires 113 nerveuses 113
centre optique 355 césium 137 445 chaîne tympano-ossiculaire 313 chaleur 18 chambre
d’ionisation 469 urinaire 242
champ magnétique 97, 551 champ visuel 375
changement d’état 16 charge
électrique 73 du fluide 14
charm 59 chiasma 375 chronaxie 115 circulation
lymphatique 239 pulmonaire 190 sanguine 190 systémique 190
clairance 243 cobalt 60 445 coefficien
d’absorption 317 d’atténuation 317, 440 Compton 442 de dissociation 32 de filt ation 237 de friction moléculaire 219, 255 de matérialisation 443 de la membrane 236 de perméabilité diffusive 235 de réfl xion 234, 297 de transmission 297 global 444 linéaire linéaire d’absorption 335 massique photoélectrique 440
cœur 191, 192 compartiment
hydrique 37 liquidien 37
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Index
concentration 32 équivalente 32 molaire (molarité) 32 molale (molalité) 32 osmolaire (osmolarité) 32 osmolale (osmolalité) 32 pondérale 32
condensateur 78 condition
conductance 114 conductivité électrique 99 cônes 374 constante
radioactive 422 de Rydberg 403 spécifique du débit de dose 47 de temps 103
construction géométrique d’une image 354 d’image 357
contraction isovolumétrique 192 contrainte de cisaillement 175 contraste 505, 515 convection 219, 225 convergence 352, 356 conversion interne 416 coronaropathie 133 couche
de demi-atténuation CDA 444 lipidique 233
courant électrique 99 courants transitoires 103 création de paires 443 cristal piézo-électrique 530
cryoscopie 33 Curie 422 curiethérapie 439, 483 cut-off 234 cycle cardiaque 124, 191
D débit
cardiaque 191 convectif 222 de dose 471, 473 diffusif 222 électrique à travers une surface 222 de matière 221 en moles de particules 221 molaire (ou flux) molaire diffusif 22 du solvant 221 volumique 176
Debye 80 décibel 316 degré
d’amétropie 378, 379 d’astigmatisme 381
demi-vie 422 densité
convectif 222 de courant 99 de débit 221 diffusif 222 électrique 222 linéique d’ionisation (DLI) 457 molaire des noyaux d’hydrogène 558 optique (DO) 516 volumique volumique d’énergie 79
déplacement particulaire 314
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Index
dépolarisation membranaire 116 dérivation 125, 127
augmentées 128 D1 129 D2 et D3 129 dipolaires frontales 129 frontales 128 précordiales 130 unipolaires 128
détecteur 468, 470 d’ionisation à gaz 469 liquide 470 à scintillation solide 470
diamagnétisme 554 diastole 191 différence
de marche 300 de phases 279
diffraction 299, 332 d’électrons 299 de neutrons 299 des rayons X 299, 337
diffusion 219 Compton 441 de masse 220 Raman 406 Rayleigh 336, 406
dimensions 3 dinitrophénol 261 dioptre 351
sphérique 352 dipôle
continu 533 tissulaire 533
dose 474 absorbée 471, 473 efficace 47 engagée 474 équivalente 474 létale 50 487 létale moyenne 487
dosimétrie 467 double effet Doppler 298, 533 double transformée de Fourier 559 down 59 dualité onde-particule 60 durée de vie 422 dynamique (en dB) 532
E eau 29
de spin 558 écho-Doppler
échographie 532 mode A 531 mode B 531
éclairement énergétique 472 écrans renforçateurs 516 effet
Auger 438 cancérogène 491 déterministe 489 Donnan 239, 257 Dopppler-Fizeau 298 héréditaire 491 photoélectrique 440 Purkinje 374 stochastique 491
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570570
Index
efficacité biologique relati e (EBR) 474 Einthoven 126, 127 éjection systolique 192 élastance 165, 194 électrocardiogramme 125 électrolytes 99 électron
Auger 416, 421, 440, 459, 460 Compton 441
électronthérapie 439 électronvolt 5 électrophysiologie 121 éléments figurés 18 émission 437
alpha 418 bêta moins 419 bêta plus 420 stimulée 334
emphysème 197 émulsion 15 endothélium 193 énergie 18
cinétique 17, 278, 282 électrostatique 75 interne 18 de liaison 415 libre 20 mécanique 278 potentielle 75, 76, 80, 278, 282
enthalpie 20 de Gibbs 20 libre 20
entropie 20 équation
de continuité 146, 221 d’Euler 313 de Nernst-Planck 256
équilibre de Donnan (ou Gibbs-Donnan) 257 hydrosodé 38, 40
de régime 424 séculaire 424 de Starling 239
équipotentielles 77 érythrocytes 189 expiration 197 exploration échographique 529, 531
F facteur de Landé 552 Faraday 20 fermions 59 feuillet élémentaire 122 fibre 19
cardiaque 125 de collagène 193 d’élastine 193 musculaires 193 myélinisée 117 nerveuse 111 optique 350
filt ation 219, 237 glomérulaire 243
Fletcher-Munson 316 fluence énergétique 47 fluide 14
Newtonien 175 parfait 146 réel 175
fluorescence 416, 421, 438, 440, 459, 460
flu diffusif transmembranaire 235 électrodiffusif 256 d’énergie 472 d’entraînement 225 molaire diffusif 225 de solvant 236, 237 transmembranaire
Livre 1.indb 570 20/11/13 08:40
571571
Index
force de Coulomb 57 de Debye 404 électrostatique 73 faible 58 forte 57 de freinage 175 de frottement 219 inter-atomiques 404 de Keesom 404 de Laplace 97 de London 404 de Newton 57 nucléaire
foyer 353 image 353 objet 353 principal 353
fraction massique (titre) 32 free induction decay 559 fréquence 279, 329
de Larmor 555 propre 281 du rythme cardiaque 133
G gadolinium 560 gain 530 gamma-caméra 544 gaz 143
parfait 17, 143 réel 17
globule blanc 189 globule rouge 189, 241 gluons 59 Goldman 258 Goldman-Hodgkin-Katz 258 gradient
de champ 559 de pression hydrostatique 225
grandissement transversal 354 gravitation 57 graviton 57 Gray 471 grossissement commercial de la loupe
360
H harmoniques 279 hauteur d’un son 313 Heisenberg 61 hématies 189 hématocrite 36, 189 Higgs 59 hydratation 30 hydrostatique 143 hypermétropie 379 hyperopie 379 hyperprotéinémie 38 hyperson 313 hypertrophie ventriculaire 132
I image 351, 358, 359
numérique 505 radiante 515 réelle 351 virtuelle 351
imagerie analogique 503 Doppler 533 par émission 503 médicale 445 numérique 504
Livre 1.indb 571 20/11/13 08:40
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Index
par réfl xion 503 scintigraphique 483, 503, 543 tomographique 503 par transmission 503
impédance 293 acoustique 293
infra-rouge (IR) 330 infrason 313 inspiration 197 intensité
acoustique 315 du courant 99 d’une onde 293 du rayonnement 472
interaction faible 58 forte 57
interférence 300 ionisation(s) 459, 460
en cascade 458 irradiation
externe 467, 483 interne 467, 483 partielle aigüe 489 totale aigüe 489
K Kelvin 17 Kerma 471
L laser 334 latitude de mise au point 361
lentille 356 convergente 358 correctrice 378, 379 divergente 359 mince 355 mince convergente 355 mince divergente 355 sphérique 381
leptons 59 lésion du muscle cardiaque 133 leucocytes 189 levier hydraulique 144 libre parcours moyen 444 ligne
de champ 77 de courant 146
liquide 143 extracellulaire 36 intracellulaire 36 transcellulaire 36
loi de Beer-Lambert 335, 514 de Bloch 557 de Bragg et Pierce 440 de conservation 282 de Coulomb 73 de Dalton 17 de Henry 30 de Hooke 165 de Jurin 163 de Kirchhoff 101 de Laplace 164 des mailles 101 des nœuds 101 d’Ohm 99 de Poiseuille 177 de Raoult 33 de Snell-Descartes 349 de Stefan 333 de Wien 333
Livre 1.indb 572 20/11/13 08:40
573573
Index
longueur d’onde 5, 291, 329 loupe 360 lumière visible 330, 374
M magnétisme 552, 554 magnéton de Bohr 552 mammographie 512 marqueur 543 masse molaire 7 masse volumique 29 matérialisation 443 média 193 membrane 234
basilaire 313 biologique 233 biologiques 235 dialysante 234 glomérulaire 242 idéale 234 idéale semi-perméable 234 partiellement perméables 235 perméable