Post on 03-Apr-2015
INTERACTIONS
RAYONNEMENTS
MATIERE
Pr.H.Boulahdour
Année 2007
1ère partie
PENETRATION DES RAYONNEMENTS DANS LA MATIERE
Trajectoires des rayonnements déviés sous l’influence des champs électriques intra atomiques ou à l’occasion de collisions avec les particules présentes (e-, noyaux).
Interactions successives perte d’énergie : Absorption
Rayonnement
E. De 1 MeV à 10 MeV ( v = 7 000 à 20 000 Km/Sec. Une particule de 2 charges électriques est fortement absorbée. Trajet en ligne droite car particule de masse élevée (A = 4 et M = 7 000 fois plus que M électrons).
A la surface de la peau, l’énergie est absorbée dans les cellules les plus superficielles (couche cornée cellules mortes). Donc radioprotection simple mais si interne, irradiation forte de la cellule mais pas des cellules éloignées.
Rayonnement
e- ou e+. E. varie de 0 à E max (spectre continu). Ex : 0.018 MeV pour tritium et 6.1 MeV pour fluor.
une seule charge électrique ; moins rapidement absorbé ; pénétration plus profonde. Le parcours moyen d’une fraction de micron à quelques millimètres dans les tissus (dépend de l’énergie).
La trajectoire est sinueuse surtout en fin de parcours.
A la surface de la peau, pénétration jusqu’aux couches profondes de l’épiderme où elle délivre une grande partie de son énergie
Rayonnement gamma (et X)
Radiations électromagnétiques (vitesse de la lumière dans le vide). Energie sous forme de corpuscule sans charge et de masse négligeable (photons). Emission mono-énergétique (Ei – Ef = h) caractéristique du radioélément émetteur. Ces particules ( et X) non chargées pénètrent facilement le corps humain.
Plusieurs cm de plomb sont nécessaires pour se protéger des rayons .
X Radiodiagnostic ; Médecine Nucléaire
Neutrons
Charge nulle donc insensibles aux champs électriques dans les atomes. Dépôt d’énergie par collision avec les noyaux.
Les neutrons traversent aisément les métaux les plus lourds mais sont ralentis par les atomes légers (hydrogènes) donc par le corps humain.
Bombe à neutrons
Ionisations et excitations des atomesIonisation paire d’ions (e- et ion +).Excitation noyau excité, instable
Energie de liaison des atomes de la matièrePour H 13.6 eV
Pour couche K du Ca 4 083 eV
Dans un milieu aqueux : un rayonnement d’énergie 32000 eV produit en moyenne 1000 ionisations donc l’énergie moyenne pour provoquer une ionisation est de 32 eV (énergie moyenne par ionisation).
Ex : une particule de 1 MeV entièrement absorbée produit
Il se produit dans le même temps 100 000 excitations
61030000 ionisations
32
Les rayonnements
Directement ionisants : ,
Indirectement ionisants : X, , neutrons (interaction primaire ionisations provoquées par la mise en mouvement de particules ; électrons et protons)
TRANSFERT DE L’ENERGIE AU MILIEU
Interactions successives ralentissement de la particule stabilisation en fin de parcours (E = 0.025 eV).
W partie de l’énergie cédée au milieu.
W entièrement ou partiellement communiquée au milieu.
1. Si W < E liaison de l’e- soit énergie d’excitation soit énergie thermique (ici E entièrement absorbée par la molécule.
2. Si W > E liaison de l’e- ionisation possible, avec
21Ec mv W E liaison
2
Ec transférée par ionisation, excitation ou transfert thermique
Si W < 100 eV, Ec absorbée au voisinage immédiat de l’interaction (grappes d’ionisation)
Si W > 100 eV, Ec transférée à distance. W dépendant de la distance.
Ces e- éjectés appelés électrons delta forment des grappes d’ionisation en fin de parcours.
Au terme du parcours de l’é- : la moitié de l’Ec est transférée sous forme d’ionisations et l’autre moitié sous forme d’excitations ou transferts thermiques.
ABSORPTION DE L’ENERGIE PAR LE MILIEU : DISTRIBUTION SPATIALE DE CETTE ENERGIE
Ionisations isolées répartition
Ionisations groupées hétérogène
Dépôts d’énergie
Transfert Linéique d’Energie (TLE)
en KeV par mE
TLE nL
icro
Rayonnement alpha
TLE élevé car porteur de 2 charges et donc fortement ionisant.
Ex : une particule de 5 MeV du Pu 239 a un trajet en ligne droite de 40 µm. Densité d’ionisation élevée dans un cylindre de 40 µm de long et < 1 µm de diamètre
Rayonnement bêta
TLE faible car faiblement ionisant (une seule charge électrique).
Un e- de 1 MeV a un trajet d’abord rectiligne puis sinueux.
Densité d’ionisation faible sur ce trajet sauf en fin de parcours où grappes d’ionisation
Rayonnement gamma et X
Directement ionisant
Indirectement ionisant (majorité des ionisations électrons éjectés avec une grande énergie cinétique
1
1mv2 h E2
Effet Compton
' 21
1h h mv E
2
Matérialisation
h e e
Donc l’essentiel des ionisations est due aux électrons secondaires
Absorption
Effet photo - électrique
Un photon de 300 KeV éjection d’1 e- par effet Compton avec une Ec de 100 KeV directement une ionisation ≈ 3 000 ionisations sont induites indirectement par l’e- secondaire
Le TLE de l’ordre de grandeur de celui des e-. Radiations faiblement ionisantes.
Neutrons
Indirectement ionisants.
Collisions avec les noyaux 90 % sont des collisions élastiques (pour neutrons rapides de 1 MeV cad 10 Km/sec neutron dévié, Ec communiquée au noyau noyau devient la particule ionisante. Ec perdue est d’autant plus grande que la masse du noyau est faible (Hydrogène). Les particules ionisantes sont le plus souvent des protons (fortement ionisantes).
Le TLE est élevé. Les neutrons peuvent être capturés par les atomes qui deviennent radioactifs
DOSE ABSORBEE ET DISTRIBUTION SUBMICROSCOPIQUE DE L’ENERGIE
Dose absorbée (Gray, Gy) Distribution microscopique Effet biologique
1 Gy = 1 joule / Kg : Energie moyenne absorbée dans un organe
Limites à l’échelon microscopique
Energie délivrée non pas de façon homogène mais de façon discontinue par paquets de dimensions submicroscopiques et de densités variables.
Exemples
- Un noyau de quelques µm de diamètre dose de 1 Gy
- 2 rayonnements différents de TLE ≠
Un dose de 1 Gy absorbée dans un noyau de 10-10 g 20 000 ionisations (2 000 affectent la molécule d’ADN) (ADN = 6 10-12 g).
La répartition est ≠ selon le TLE
Au voisinage immédiat de la trajectoire de la particule (TLE élevée) ; densité d’ionisation très élevée.
Ionisations ou excitations très dispersée si TLE faible. Grappes d’ionisations déposées à la partie terminale du trajet des e- (dépôts d’énergie de densité élevée dans des volumes submicroscopiques.