Rayons X et rayonnement émis par les principaux radio-isotopes utilisés in vitro et in vivo Flashcards
Nucléide
Noyau atomique caractérisé par le nombre de protons et de neutrons qu’il contient.
Rayonnement
Transport d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques ou de particules.
• Sous forme d'ondes magnétiques → rayonnement électromagnétiques
- rayons γ
- rayons X
- rayons ultraviolet
- spectre visible
- rayons infra-rouge
- ondes radioélectriques
- circuit en courant alternatif• Sous formes d’ondes particules → rayonnement articulaire : particule α, β, γ
Rayonnement électromagnétique
Spectre électromagnétique
→ Rayonnement électromagnétique
Désigne une perturbation des champs électriques et magnétiques.
Les champs électromagnétiques a pour vecteur le photon, particule dépourvu de masse (photon X, photon γ)
→ Spectre électromagnétique
Décomposition de rayonnement électromagnétique selon ses différents composantes en terme de fréquence, d’énergie des photos ou encore de longueur d’onde associée, les 3 grandeurs : fréquence, énergie, longueur d’onde étant liées 2 à 2 par la constante de Planck h et la vitesse de la lumière c :
E = hv
c = λv
Rayonnements ionisants ou non ionisants
Un rayonnement est ionisant lorsqu’il est susceptible d’arracher des électrons à la matière. POur cela, il est nécessaire que l’énergie du rayonnement soit supérieur à l’énergie de liaison minimale des électrons du milieu considéré.
✯ Rayonnement chargés :
- α
- β -
- β +
- directement ionisant
✯ Rayonnement non chargées ;
- rayons X
- rayons γ
- neutrons
- indirectement ionisant par l’intermédiaire des particules ionisantes qu’ils mettent en mouvement dans le milieu
Radioactivité
Radio-isotope
Rayons X
Rayons γ
RADIOACTIVITE
propriété d’un noyau atomique instable de se transformer spontanément en noyaux d’une autre espèce chimique avec émission de rayonnement
RADIO-ISOTOPE
atome dont le noyau est instable. Cette instabilité peut être due soit un excès de proton ou de neutron, soit à l’excès des 2.
RAYONS X
forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence. Il est produit par transitions nucléaires
RAYONS γ
rayonnement électromagnétique de haute énergie, produit par désintégration gamma ou d’autres processus nucléaires tels que l’annihilation d’une paire électrpositron.
Unités :
Curie ↔ Bequerel ?
unité d’énergie ?
unité de masse ?
1 Ci = 37 GBq (10^9)
1 Bq = 27 pCi (10^-12)
unité d’énergie : 1eV = 1,6 * 10^(-19) J
unité de masse = masse d’un proton
1 uma = 931, 5 MeV/c^2
1 uma = 1,66 * 10^(-27) kg
1 uma = 1/nombre d’Avogadro
Nombre d’Avogadro = 6,0210^23
célérité de la lumière dans le vide : 310^8 m/s
constante de Plack : 6,62*10^-34 m^2.kg/s
Propriétés des rayons X ? Production des rayons X ?
PROPRIETES
- grand pouvoir pénétrant
Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques d’énergie suffisante pour qu’une partie du rayonnement puisse traverser les objets sans être altérée.
-action ionisante
Les rayons X ont une énergie suffisante pour permettre d’arracher les électrons liés aux atomes : ils provoquent des ionisations en atomes, ce sont des rayonnements dits “ionisants”.
PRODUCTION DES RAYONS X
Les rayons X sont produits essentiellement par le ralentissement des électrons lorsqu’ils passent à proximité d’un gros noyau.
- électron mis en mouvement par un accélérateur de particules : tube à rayon X
Dans un tube à rayon X (tube radiogène), les rayons X sont produits lorsqu’un faisceau d’électrons à grande vitesse rencontre une cible matérielle. Les électrons sont accélérés entre la cathode et l’anode par une tension électriques dans un tube sous vide. Le ralentissement des électrons par un atome de la cible provoque un rayonnement continu de freinage. Le tube est entouré d’une enveloppe protectrice assurant le vide, une isolation électrique et prévenant la dispersion des rayons X émis. - électrons provenant de l’émission β de corps radioactifs (négatons et positons)
Les électrons provenant de l’émission β de corps radioactifs interagissant de manière prépondérante avec les électrons des atomes constituant le milieu traversé en créant des ionisations et des excitations. Plus rarement, ces électrons interagissent avec des noyaux constituants le milieu traversé. L’électron incident est dévié dans le champ coulombien de l’atome cible et ce changement de trajectoire s’accompagne de l’émission d’un rayonnement X appelé rayonnement de freinage. Ce phénomène ne concerne
→ que les électrons de très fortes énergies (plusieurs MeV)
→ et qui de plus traversent le milieu constitué d’atomes lourdés, c’est-à-dire, milieu dense.
Structure de l’atome et nomenclature
Un atome est constitué :
→ d’un noyau (ou nucléaire) qui est lui-même formé de neutrons et de protons (charge +) : les protons et les neutrons sont aussi appelés nucléons.
- la masse globale des nucléons est quasiment celle de l’atome (la masse atomique relative prend en compte la proportion relative des isotopes)
☞ les constituants du noyau sont caractérisés par une interaction forte qui tend à rapprocher les nucléons entre eux et à l’interaction électromagnétique qui tend à éloigner les protons.
Or, il faut de l’énergie pour maintenir un ensemble cohérent : il s’agit de l’énergie de liaison qui résulte de la conversion d’une partie de la masse des constituants en énergie.( E = mc^2)
=> Cela explique que la masse du noyau est toujours inférieure à la somme de tous les éléments constitutifs pris séparément.
→ d’un cortège d’électrons (charge - ) autour du noyau et dont la charge équilibre celle du noyau.
Au sein de l’atome résident différents types de forces ou interactions qui assurent la cohésion et l’interaction entre les différents constituants de l’atome.
Un atome peut être caractérisé par
- X : symbole chimique de l’élément
- A : nombre de masse = nombre de nucléons (protons + neutrons)
- Z : numéro atomique : nombre de protons = nombre d’électrons si élément non chargé
Isotope
Isobare
Isotone
Isomère
ISOTOPE
- même numéro atomique donc même nombre de protons (et donc même symbole chimique X)
- nombres A différents dont un nombre de neutrons différents
ISOBARE
- même nombre de masse A donc même nombre de neutrons
- différents numéros atomiques donc un nombre de protons différent (symbole chimique différent)
ISOTONE
- même nombre de neutrons N
- A et Z différents
ISOMERE
- même numéro atomique Z et même nombre de masse A.
- ne diffèrent que par leur états énergétiques (structures nucléaires différentes).
- on ajoute une étoile en haut à droite du symbole chimique pour matérialiser l’état excité et la lettre “m” = métastable au isomères nucléaires. Les états métastables sont instables et ont une durée de vie de quelques pico secondes à quelques heures.
Instabilité des noyaux atomiques
Certains noyaux sont instables en raison d’un excès de neutrons ou de protons. Ils tendent à retrouver une configuration stable en émettant un rayonnement de façon spontanée : c’est la radioactivité.
Dans la nature, il n’existe qu’un nombre limité d’éléments stables. Pour les noyaux stables les plus légers, le nombre de neutrons N est égal au nombre de protons. Si l’on reporte sur un graphique le nombre de neutrons en fonction du nombre de protons déterminant tous les noyaux possibles, on obtient un diagramme de nucléaires stables radioactifs.
Ligne de stabilité β : diagramme de Ségré
- à gauche : noyaux émetteurs β - (désintégration β -) = ont un excès de neutron par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse A
- à droite : noyaux émetteurs β + (désintégration β + ou capture électronique) = ont un excès de proton par rapport aux noyaux stables de même nombre de masse A
- à partir de Z = 82, possibilité de noyau émetteur α
Cette ligne ne se poursuit pas au-delà du Bismuth puisqu’au-delà, on ne trouve aucun nucléide stable.
→ Tout noyau en dehors de cette ligne de stabilité va tendre à devenir stable par un mode de transformation radioactive ou désintégration
Les isotopes d’un même élément ont des propriétés chimiques identiques car ils ont le même nombre d’électrons. EN revanche, le noyau ne comporte pas le même nombre de neutrons. La proportion de neutrons dans le noyau peut le rendre instable : c’est pourquoi certains isotopes peuvent être radioactifs. On parle de radio-isotopes.
(Le technétium Tc n’a que des radio-isotopes)
Les différents modes de radioactivité
✯ Emission de β-
- celle que subissent les noyaux qui se situent dans la zone 1 et la gauche de la zone 3
- zones qui traduisent un excès de neutrons
- mécanisme : n → p + e- + antineutrino
- il y a émission
→ d’un électron = particule β-
→ d’un proton pour équilibrer la charge
→ d’un antineutrino électronique en raison des lois de conservations d l’énergie, de la quantité de mouvement et de la charge électrique. L’antineutrino est une particule de masse infiniment petite et neutre.
↪ Le noyau se transforme :
X → Y avec (Z+1) + électron + antineutrino
= transformation isoédrique car A reste inchangé
- spectre d’énergie continu
✯ Emission de β + - celle que subissent les noyaux dans la zone 2 où l'on observe un excès de protons. - mécanisme : p → e + n + neutrino - il y a émission : → d'un anti électron = positron = β+ → d'un neutron n → d'un neutrino électronique ↪ le noyau se transforme : X → Y (avec Z-1) + anti-électron + neutrino = transformation isobarique - spectre d'énergie continu
✯ Capture électronique
- autre mode de désintégration que subissent les noyaux qui se situent dans la zone 2 où l’on observe un excès de protons.
- mécanisme : p + anti-électron → neutron + neutrino
↪ le noyau se transforme :
X + électron → Y (avec Z-1) + neutrino
= transformation isobare
- compétition avec la transformation β +
- la lacune électronique va conduire à un réarrangement du cortège électronique donnant lieu à l’émission d’une énergie de désexcitation soit sous forme de rayons X soit sous forme d’électron Auger.
✯ Emission α
- mode de désintégration que subissent les noyaux lourds Z > 82 qui se situent dans la zone 3.
- émission de 2 protons et de 2 neutrons qui correspondent au noyau d’hélium = particule α
- le noyau :
X → Y (avec A-4 et Z-2) + Helium (A= 4 et Z=2)
☞ ce n’est pas une transformation isoédrique. La particule α émise est monoénergétique (spectre de raies)
☞ fission spontanée si Z >90, les noyaux lourds se scindent en 2 fragments plus légers : émission de particules (neutrons +++)
✯ Emission γ La plupart des désintégrations (α, β-, β+, capture électronique) engendre des noyaux fils qui ne sont pas ai niveau énergétique le plus bas. Ces noyaux sont dans un état excité. Le noyau se retrouve à l'état fondamental en émettant l'excès d'énergie sous forme d'un rayonnement électromagnétique que l'on appelle rayonnement γ. = désexcitation nucléaire : X* → X + γ = transformation isobarique. - spectre de raies
- Loi de décroissance radioactive
- Période radioactive τ
- activité d’un radionucléide
- Loi de décroissance radioactive :
Le nombre dN de désintégrations nucléaires spontanées qui se produisent dans une quantité de matière pendant un temps indéfiniment petit dt est proportionnel au nombre d’atomes et au temps
→ N(t) = N* e^(- λt) - Période radioactive τ
La période d’u radionucléide est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes radioactifs présents initialement soient désignés. Au bout d’un temps correspondant à une période T, on a
T = ln2 / λ - Activité A
L’activité d’un radionucléide est le nombre de désintégrations qui se produisent par unité de temps dans une donnée de ce radionucléide.
A = λ * N = Ao * e^(-λ t)
L’activité diminue de moitié au bout d’une période. L’unité de l’activité est le Béquerel (Bq = 1 désintégration par seconde)
Filiation radioactive
- Filiation radioactive
Cas où un élément radioactif “père” d’activité A1(t) et de constante radioactive λ1 se désintègre en un atome “fils” également radioactif d’activité A2(t) et constante radioactive λ2.
A1(t) décroit de façon exponentielle. A2(t) croit jusqu’à une valeur maximale puis décroit parallèlement à A1(t)
N2 = N1 * (λ1 /(λ2 - λ1)) * (e^(-λ1t) - e^(-λ1))
Le maximum de A2(t) est obtenu à
t = (lnλ2 - lnλ1) / (λ2 - λ1)
☞ si T1»_space; T2 ou λ1 «_space;λ2
A1 (t) ≈ constante ≈ A1 (t=0)
La décroissance du noyau mère est négligeable et l’activité du descendant tend vers celle du parent.
N2 = N1 (t=0) * λ1/λ2 * (1-e^(-λ2*t))
Interactions des rayonnements
Les rayonnements ionisants provoquent tous au sein de la matière des excitations et des ionisations.
- Pour les particules chargées (α, β) → ionisation directe
- Pour les rayonnements électromagnétiques (γ, X) → ionisation indirecte
Pouvoir de pénétration (exposition externe)
→ Les particules α sont arrêtées par une feuille de papier
→ Les particules β sont arrêtées par une feuille d’aluminium.
→ Le rayonnement γ est atténué mais jamais arrêté par de grandes épaisseurs de matériaux denses (écrans en plomb très utilisé)
✯ Particule α
- Ces particules lourdes (noyaux hélium, interagissent principalement avec les électrons des atomes cibles, engageant une ionisation ou une excitation).
- Les interactions avec les noyaux sont secondaires.
- Etant beaucoup plus lourdes que les électrons, elles ne sont pas sujettes au rayonnement de freinage.
- Leur pouvoir de pénétration est très faible mais elles sont très ionisantes.
- Elles sont facilement arrêtés par une feuille de papier
✯ Particule β
- Les électrons (positons ou négatons) interagissent de manière prépondérante avec les électrons des atomes constituant le milieu traversé.
- Plus rarement, les électrons interagissent avec les noyaux des atomes constituant le milieu traversé.
- L’électron incident est dévié du champ colombien de l’atome cible et ce changement de trajectoire s’accompagne de l’émission de rayonnement X appelé rayonnement de freinage. Ce phénomène ne concerne que les électrons de très forte énergie qui traversent un milieu constitué d’atomes lourds (= milieu dense).
- Leur pouvoir de pénétration est faible.
- Beaucoup moins ionisant que les rayonnements α.
- Facilement arrêté par une feuille d’aluminium.
☞ Cas particulier des positons :
Quand un positon incident est au repos, c’est-à-dire quand il a perdu la totalité de son énergie initiale, il s’associe à un négaton. Ces 2 particules se dématérialisent. C’est ce qu’on appelle l’annihilation./
La loi de la conservation de l’énergie montre qu’il résulte de ce phénomène d’annihilation, 2 rayonnements γ émis dans des directions opposés et chacun d’une énergie de 511 keV. (Principe utilisé pour les PET SCAN)
✯ Rayonnements γ et X
En traversant la matière, ils provoquent 3 types d’interactions qui produiront des excitations et ionisations dans le matériau traversé.
INTERACTION AVEC LES ELECTRONS
→ l’effet photo-électrique = absorption
γ + atome → e- + atome•+
1- Toute l’énergie du photon se transmet à un électron périphérique d’un atome cible sous forme d’énergie cinétique. Le rayon d’énergie interagit avec un électron fortement lié au noyau.
2- L’électron recevra une énergie cinétique et le photon disparait.
3- L’atome réorganise ensuite son cortège électronique provoquant l’émission d’un rayonnement X secondaire. ↪ Dans les tissus, l’effet photoélectrique domine pour les faibles énergies de rayonnements électromagnétiques (proche du noyau)
E(e-) = hv - El
→ effet Rayleigh = diffusion élastique γ + atome → γ + atome Un photon est dévié sans échange de proton → l'effet Compton = diffusion inélastique γ + atome → γ' + e- + atome•+ Dans ce type d'interaction, le photon de faible énergie interagit avec un électron libre c'est-à-dire très périphérique dans le cortège électronique. Le photon incident disparait et il en résulte : - l'apparition d'un rayonnement γ dit diffusé Compton - l'électron quant à lui reçoit une certaine énergie et est éjecté L'énergie se répartit entre électron cible et le diffusé Compton. Dans tous les cas, électron ne reçoit donc jamais toute l'énergie du photon incident. E(e-) = hv - hv' Δ λ = λ - λ' = λc (1 - cos θ) • λ : longueur d'onde du photon incident • λ' : longueur d'onde du photon diffusé • λc = 0,024 A = longueur d'onde de Comton de l'électron • θ : angle du photon γ' par rapport à la direction du photon γ (en ° )
- si θ= 0° : choc tangentiel
- si θ = 180°C : choc frontal : rétrodiffusion
- l’électron est toujours éjecté vers l’avant
INTERACTION AVEC LES NOYAUX
→ la création de paires = effet de matérialisation
L'interaction du photon se fait avec le noyau de l'atome cible. Il en résulte l'apparition d'une paire d'électrons : un électron négatif et un électron positif (positon).
Le positon (antimatière) va, après un court trajet, s'annihiler avec un électron négatif, c'est-à-dire disparaître au profit de l'émission de 2 photons γ, d'énergie égale, émis à 180° l'un par rapport à l'autre..
Une interaction avec production de paires nécessite que l’énergie le photon incident soit au moins égale à l’énergie nécessaire à la création de cette paire c’est-à-dire au double d’un électron (E > 1,02 MeV). Si cette énergie est supérieure à cette valeur, le surplus sera communiqué aux 2 électrons sous forme d’énergie cinétique.
Atténuation des rayonnements électromagnétiques
Au contraire des particules chargées qui cèdent progressivement leur énergie de la matière (puis Pic de Bragg), les rayonnements électromagnétiques disparaissent brutalement à la suite d’une interaction (rayons X et ondes γ ont une vitesse constante).
On ne peut plus parler de ralentissement. Il faut introduire la notion d’atténuation.
→ Loi d’atténuation :
Dans le cas d’un faisceau monochromatique parallèle de rayon X ou γ, le nombre de rayons émergeants N n’ayant subi aucune interactif dans la traversée d’un écran d’épaisseur X est lié au nombre de rayonnements incidents No par la relation :
N = No * e^(-µx)
µ est le coefficient linéique global d’atténuation en cm^-1
Puisque les pions considérés sont monochromatiques, une relation relie l’énergie incidente E1 du faisceau e sonnerie après avoir traversé l’épaisseur x :
Ex = Ei * e^(-µx)
→ Couche de demi-atténuation
La couche demi-atténuation x1/2, l’épaisseur du matériau nécessaire pour atténuer d’un facteur de 2 le nombre initial de photons ou l’énergie initiale.
x1/2 = ln2/µ
