Biophy - Chap 1 Flashcards
1
Q
Rayonnements ionisants
A
- 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)
2
Q
Rayonnements non ionisants mais excitants, électromagnétiques (photons) avec hν < 13,6 eV
A
- UV (même si > 13,6 !)
- Visible
- IR
- µ ondes
- Ondes radio
3
Q
Rayonnements ionisants, électromagnétiques (photons) avec hν > 13,6 eV
A
- Photons X
- Photons 𝛾
4
Q
Rayonnements ionisants, particules avec E > 13,6 eV
A
- Non chargées : neutrons
- Chargées : 𝛃+, 𝛃- (légères) et ⍺, p+ (lourdes)
5
Q
Nature et origine des rayons X
A
Rayonnements électromagnétiques ionisants, d’origine purement électronique
6
Q
1ère origine : collision électron-électron : les raies X
A
- 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
7
Q
2e origine : le bremsstrahlung, rayonnement de freinage
A
- 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
8
Q
Spectre lors de la collision électron-électron
A
Spectre de raie
9
Q
Spectre lors du bremsstrahlung
A
- 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
10
Q
Le tube de Coolidge
A
- 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
11
Q
THT du tube de Coolidge
A
- THT accélère les électrons
- THT augmente donc le nb de rayons X et leur énergie max
12
Q
THT du tube de Coolidge : Si ΔV = 150 000 V alors Ec = ?
A
150 000 eV max soit 150 keV
13
Q
Basse tension du tube de Coolidge
A
- Augmente le nb d’électrons disponibles pour être accélérés
- Augmente donc le nb de rayons X produits
14
Q
Filtres du tube de Coolidge
A
En sortie du faisceau de RX, pour éliminer les RX “mous” dangereux pour la peau)
15
Q
Résistance du tube de Coolidge
A
Où passe un courant
16
Q
Diaphragme du tube de Coolidge
A
Règle l’ouverture du faisceau (collimation) afin de limiter l’exposition inutile
17
Q
Anode en tungstène du tube de Coolidge
A
Cible tournante
18
Q
Accélérateurs linéaires
A
- 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
19
Q
Que représente A ?
A
Nombre de masse / nucléons / nb baryonique
20
Q
Que représente Z ?
A
Numéro atomique / nombre de protons, électrons, charge
21
Q
Que représente N ?
A
= A-Z = nombre de neutrons
22
Q
Élément chimique
A
Ensemble des particules (atomes, ions) ayant le même Z et donc le même X
23
Q
Isotopes
A
Même Z
24
Q
Isotones
A
Même N
25
Isobares
Même A
26
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)
27
Interaction forte
- Force nucléaire forte : attraction entre nucléons
- Cohésion du noyau
- À très courte distance (diamètre noyau)
28
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)
29
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
30
Interaction gravitationnelle
Peu d’importance en physique nucléaire
31
Stabilité des noyaux
Résulte de la compétition entre interaction forte attractive (entre nucléons) et interaction électromagnétique répulsive (entre protons)
32
Noyau stable
Z et N invariables dans le temps
33
Noyau instable = radioactifs
Z et N se modifie(nt) dans le temps + émission de particules ⍺, β et/ou de photons
34
Si Z > 82
Noyaux émetteurs de particules ⍺
35
Si trop de protons ou trop de neutrons
Noyaux potentiellement émetteurs de particules β
36
Unités utilisées en radioactivité
- Joule inadapté → on utilise l’électronvolt
| - Kilogramme inadapté → on utilise l’unité de masse atomique (uma) ou MeV/c^2
37
Électronvolt
- Énergie d’un électron accéléré par une ddp de 1 volt
| - 1 eV = 1,60.10-19 J
38
Unité de masse atomique
- 1 uma = 1,7.10^-27 kg
| - 1 uma = 931,5 MeV/c^2
39
Masse électron
- << 1 uma
| - ≃ 0,511 MeV/c2
40
Masse proton et neutron
- Masse proton ≃ 1 uma
| - Masse proton < masse neutron
41
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
42
Formule du défaut de masse Δm
Δm = Z.mP + N.mN - mNOYAU
43
Formules de l'énergie de liaison
- EL (en J) = Δm (en kg). c2 (m.s^-2)
| - EL (MeV) = Δm (en uma) x 931,5
44
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
45
Origine de la radioactivité
Triple origine : naturelle, cosmique et humaine
46
Applications de la radioactivité
Applications médicales +++ avec 32,7% alors que centrale nucléaire 0,3%
47
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
48
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
49
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
50
3 cas possibles pour la radioactivité ⍺
1) X → Y
2) X → Y* → Y (+ photon)
3) X → Y → Z
51
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
52
Ne concerne que les noyaux artificiels rendus instables à cause d’un excès de protons : transforme proton en neutron
- Radioactivité β+
| - Capture électronique
53
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°
54
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+
55
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
56
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
57
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
58
Lois de conservation des réactions nucléaires (radioactivité artificielle)
Conservation :
- de la charge Z
- du nombre de masse A
- de l’énergie totale ET
59
Projectiles (radioactivité artificielle) peuvent être :
- des neutrons
- des protons
- des deutons
- des particules ⍺
- des noyaux
- des photons
60
Quels projectiles sont issus de réacteurs nucléaires ?
Neutrons
61
Quels projectiles sont issus d'accélérateur circulaire comme cyclotron ?
- Protons
| - Deutons
62
Quels projectiles sont issus d'accélérateur linéaires pour RX ?
Photons (= réaction photonucléaire)
63
Chaleur libérée lors de la réaction
Q
64
Q & réaction exoénergétique
- Q > 0
- Énergie libérée
- Possible même si l’Ec du projectile est proche de 0
65
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
66
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
67
Lois de décroissance radioactive : formule de N(t)
N(t) = N(t=0) . exp(-λ.t)
68
Lois de décroissance radioactive : formule de A(t)
A(t) = λ . N(t) = λ . N(t=0) . exp(-λ.t)
69
Lois de décroissance radioactive : formule de T1/2
T1/2 = 𝜏 . ln(2) = ln(2) / λ
70
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
71
Lois de décroissance radioactive : principe général
Au bout de « n » périodes (n x T), il reste environ N0 / 2n noyaux radioactifs
72
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
73
Filiation radioactive : exemple du 99mTc
Production quotidienne de 99mTc dans un « générateur Molybdène - Technétium »
m = métastable = durée de vie anormalement longue
