Biophy - Chap 1 Flashcards
Rayonnements ionisants
- Tout rayonnement (particules ou photons) dont l’énergie est supérieure à l’énergie de liaison des électrons les moins liés des atomes constituant la matière vivante : C , H , O , N
- On a choisi l’énergie nécessaire pour ioniser l’atome d’H = 13,6 eV (autres ≃ 12,4 eV)
Rayonnements non ionisants mais excitants, électromagnétiques (photons) avec hν < 13,6 eV
- UV (même si > 13,6 !)
- Visible
- IR
- µ ondes
- Ondes radio
Rayonnements ionisants, électromagnétiques (photons) avec hν > 13,6 eV
- Photons X
- Photons 𝛾
Rayonnements ionisants, particules avec E > 13,6 eV
- Non chargées : neutrons
- Chargées : 𝛃+, 𝛃- (légères) et ⍺, p+ (lourdes)
Nature et origine des rayons X
Rayonnements électromagnétiques ionisants, d’origine purement électronique
1ère origine : collision électron-électron : les raies X
- Raies X possèdent une énergie bien définie (et toujours > 1,25 keV sinon ne sort pas de la cible = auto-absorption)
- Émission isotrope = dans toutes les directions de l’espace
- le nombre de protons (et donc d’électrons) de la cible est grand, + on trouvera de raies énergétiques
2e origine : le bremsstrahlung, rayonnement de freinage
- Possibilité d’arrêt complet de l’électron s’il libère la totalité de son énergie cinétique
- Tous les degrés de freinage sont possibles mais rayons X de freinage vont de 1,25 keV (si < → auto-absorption) jusqu’à la valeur de l’énergie cinétique de l’électron
- Émission non isotrope
Spectre lors de la collision électron-électron
Spectre de raie
Spectre lors du bremsstrahlung
- Fond continu
- Forme du spectre d’émission dépend du nombre de protons de la cible ( Z ↗︎ alors nb de photons émis ↗︎) et de paramètres réglables avec tube de Coolidge
Le tube de Coolidge
- Radiodiagnostic surtout mais aussi radiothérapie pour tumeurs superficielles
- Produit des rayons X d’énergie relativement faible : 1,25 à 220 keV
- Il faut que l’ensemble du système soit dans une ampoule sous vide
THT du tube de Coolidge
- THT accélère les électrons
- THT augmente donc le nb de rayons X et leur énergie max
THT du tube de Coolidge : Si ΔV = 150 000 V alors Ec = ?
150 000 eV max soit 150 keV
Basse tension du tube de Coolidge
- Augmente le nb d’électrons disponibles pour être accélérés
- Augmente donc le nb de rayons X produits
Filtres du tube de Coolidge
En sortie du faisceau de RX, pour éliminer les RX “mous” dangereux pour la peau)
Résistance du tube de Coolidge
Où passe un courant
Diaphragme du tube de Coolidge
Règle l’ouverture du faisceau (collimation) afin de limiter l’exposition inutile
Anode en tungstène du tube de Coolidge
Cible tournante
Accélérateurs linéaires
- Radiothérapie
- Produit des rayons X de forte énergie : 1 à 25-30 MeV
- e- sont accélérés par une série d’électrodes portées à des potentiels croissants
- Rayons X produits par «paquets» : ils sortent de façon discontinue car les électrodes sont soumises à une tension alternative
Que représente A ?
Nombre de masse / nucléons / nb baryonique
Que représente Z ?
Numéro atomique / nombre de protons, électrons, charge
Que représente N ?
= A-Z = nombre de neutrons
Élément chimique
Ensemble des particules (atomes, ions) ayant le même Z et donc le même X
Isotopes
Même Z
Isotones
Même N
Isobares
Même A
Isomères
- Même Z, A et N mais niveau d’énergie interne ≠
→ noyau excité (État fondamental ≠ État isomérique, excité à durée de vie courte ; «métastables» si durée de vie longue)
Interaction forte
- Force nucléaire forte : attraction entre nucléons
- Cohésion du noyau
- À très courte distance (diamètre noyau)
Interaction électromagnétique
- 2 formes (électrique et magnétique)
- Fait s’attirer ou repousser deux charges et tend ainsi à déstabiliser la cohésion du noyau
- Portée à l’infini mais 4 fois plus faible à distance double
- 100 à 1000 x plus faible qu’interaction forte mais + importantes lorsque le nb de protons augmente
- Sous-tend les propriétés chimiques des atomes (cortèges électroniques)
Interaction faible
- 100 000 x plus faible qu’interaction forte
- Portée extrêmement faible (qq centièmes de la taille d’un nucléon)
- Responsables des désintégrations β
Interaction gravitationnelle
Peu d’importance en physique nucléaire
Stabilité des noyaux
Résulte de la compétition entre interaction forte attractive (entre nucléons) et interaction électromagnétique répulsive (entre protons)
Noyau stable
Z et N invariables dans le temps
Noyau instable = radioactifs
Z et N se modifie(nt) dans le temps + émission de particules ⍺, β et/ou de photons
Si Z > 82
Noyaux émetteurs de particules ⍺
Si trop de protons ou trop de neutrons
Noyaux potentiellement émetteurs de particules β
Unités utilisées en radioactivité
- Joule inadapté → on utilise l’électronvolt
- Kilogramme inadapté → on utilise l’unité de masse atomique (uma) ou MeV/c^2
Électronvolt
- Énergie d’un électron accéléré par une ddp de 1 volt
- 1 eV = 1,60.10-19 J
Unité de masse atomique
- 1 uma = 1,7.10^-27 kg
- 1 uma = 931,5 MeV/c^2
Masse électron
- «_space;1 uma
- ≃ 0,511 MeV/c2
Masse proton et neutron
- Masse proton ≃ 1 uma
- Masse proton < masse neutron
Le défaut de masse Δm
- Tout atome, composé de plusieurs nucléons liés, possède une masse inférieure à celle de ses nucléons à l’état libre
- La formation du noyau implique donc une perte de masse transformée en énergie de liaison
Formule du défaut de masse Δm
Δm = Z.mP + N.mN - mNOYAU
Formules de l’énergie de liaison
- EL (en J) = Δm (en kg). c2 (m.s^-2)
- EL (MeV) = Δm (en uma) x 931,5
Mesure de la stabilité des noyaux
- On s’intéresse au rapport EL / A
- Pour libérer de l’énergie et gagner en stabilité il faut donc :
→ fusion d’éléments légers
→ fission d’éléments lourds
Origine de la radioactivité
Triple origine : naturelle, cosmique et humaine
Applications de la radioactivité
Applications médicales +++ avec 32,7% alors que centrale nucléaire 0,3%
La désintégration radioactive est :
- Aléatoire
- Spontanée
- Inéluctable
- Indépendante de la combinaison chimique dont le noyau radioactif fait partie (si U est radioactif alors UO2 aussi)
- Indépendante de l’état physique de la substance, de la température et de la pression
Lois respectées lors d’une réaction nucléaire :
Conservation :
- de la charge
- du nb de nucléons = nb baryonique
- de la quantité de mouvement
- de l’énergie
- du nb leptonique (expliquant l’apparition anti-neutrino et neutrino)
- du moment cinétique
Radioactivité ⍺
- Noyau lourd éjecte un noyau d’hélium pour gagner en stabilité
- Transformation ni isotopique, ni isobarique, ni isotonique («ni ni ni»)
- Particules ⍺ éjectées du noyau à vitesse modeste : 20 000 km/s
- Valeur de l’énergie transmise pour un radio-isotope donné (et pour un type de désintégration donné) sera invariable > raies caractéristiques entre 4 et 8 MeV
3 cas possibles pour la radioactivité ⍺
1) X → Y
2) X → Y* → Y (+ photon)
3) X → Y → Z
Radioactivité β-
- Concerne les noyaux en excès de neutrons : transforme neutron en proton
- Transformation isobarique
- Énergie libérée partagée sous forme Ec entre β- et anti-neutrino (= particule neutre, de masse nulle et qui n’interagit pas avec la matière)
- Spectre d’émission énergétique de β- continu
Ne concerne que les noyaux artificiels rendus instables à cause d’un excès de protons : transforme proton en neutron
- Radioactivité β+
- Capture électronique
Radioactivité β+
- Transformation isobarique
- Spectre d’émission énergétique de β+ est continu
- Ensuite positon épuise son Ec par collisions successives, s’associe avec un électron → réaction d’annihilation → e+ et e- se dématérialisent en émettant 2 photons de 511keV partant chacun à 180°
Capture électronique
- Capture d’un électron d’une couche profonde par un proton du noyau pour se transformer en neutron
- Émission d’un neutrino sans positon
- Émission de raies X lors du réarrangement du cortège électronique
- Transformation isobarique en compétition avec l’émission β+
Émission 𝛾
- Passage d’un état isomérique à l’état fondamental d’un noyau en libérant son excès d’énergie par l’émission d’un photon 𝛾 dont l’origine est strictement nucléaire
- Émission monophotonique ou pls émissions photoniques selon transitions possibles
- Spectre d’émission de raies
- Rayons 𝛾 utilisés en médecine nucléaire
Conversion interne
- Électron de la couche K capte le photon 𝛾 émit par le noyau et se retrouve éjecté du cortège électronique (électron de conversion)
- Ece- = E𝛾 - ELIAISON
- Lacune → réarrangement électronique → émission de raies X
- Atome est ionisé
Réactions nucléaires (radioactivité artificielle)
- Noyau cible X sur lequel on envoie une particule incidente a, ce qui permet d’aboutir à un noyau final Y et une nouvelle particule b
- Y peut être instable
Lois de conservation des réactions nucléaires (radioactivité artificielle)
Conservation :
- de la charge Z
- du nombre de masse A
- de l’énergie totale ET
Projectiles (radioactivité artificielle) peuvent être :
- des neutrons
- des protons
- des deutons
- des particules ⍺
- des noyaux
- des photons
Quels projectiles sont issus de réacteurs nucléaires ?
Neutrons
Quels projectiles sont issus d’accélérateur circulaire comme cyclotron ?
- Protons
- Deutons
Quels projectiles sont issus d’accélérateur linéaires pour RX ?
Photons (= réaction photonucléaire)
Chaleur libérée lors de la réaction
Q
Q & réaction exoénergétique
- Q > 0
- Énergie libérée
- Possible même si l’Ec du projectile est proche de 0
Q & réaction endoénergétique
- Q < 0
- Il faut fournir de l’énergie
- Un seuil (=Q) d’Ec en dessous duquel la réaction ne peut pas avoir lieu
Expérience d’Irène et Frédéric Joliot Curie
- Réaction de type Rn (⍺, n)
1) (4)He + (27)Al = (30)P + (1)n
2) (30)P = (30)Si + (0)𝛃+ + neutrino
Lois de décroissance radioactive : formule de N(t)
N(t) = N(t=0) . exp(-λ.t)
Lois de décroissance radioactive : formule de A(t)
A(t) = λ . N(t) = λ . N(t=0) . exp(-λ.t)
Lois de décroissance radioactive : formule de T1/2
T1/2 = 𝜏 . ln(2) = ln(2) / λ
Lois de décroissance radioactive : au bout 6,6 T et au bout de 10 T
Au bout de 6,6 T il reste 1 % des noyaux radioactifs
Au bout de 10 T, il reste 0,1% des noyaux radioactifs
Lois de décroissance radioactive : principe général
Au bout de «n» périodes (n x T), il reste environ N0 / 2n noyaux radioactifs
Notion de filiation radioactive
Le but d’un générateur est de favoriser la formation d’un élément fils (émetteur 𝛾) à partir d’un noyau radioactif père afin de pouvoir l’utiliser notamment en Médecine Nucléaire
Filiation radioactive : exemple du 99mTc
Production quotidienne de 99mTc dans un «générateur Molybdène - Technétium»
m = métastable = durée de vie anormalement longue
