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LE NOYAU ATOMIQUE LA RADIOACTIVITE

NOTIONS DE BASE SUR SES APPLICATIONS EN

MEDECINE ET SES RISQUES

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1. LE NOYAU ATOMIQUE

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- Taille par rapport à l’atome : r atome 10-10 m r noyau 10-15 m

- Constituants du noyau : nucléons.• p+ = charge +, masse = 1,673 10-27 kg nombre : Z, (= nombre d’e- de l’atome) • n = charge = 0, masse = 1,675 10-27 kg nombre : N• nucléide : A = N + Z (A : nombre de masse, Z : numéro atomique) rayon du noyau proportionnel à A1/3

notation du nucléide A(Z)X(N)  exemple : 235

92U143

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• Nucléides isotopes : même Z

31H2

21H1 : 0,015 % abondance isotopique identique pour tous les

échantillons naturels d’un élément.

11H0 : 99,985 %

- naturels, Z nucléides naturels = 1 à 92 (U) sauf 43 (Tc) et 61 (Pm)

La plupart sont stables, certain sont instables, encore présents sur terre

. soit parce qu’ils ont été formés lors de la création de l’univers comme

23290Th, 238

92U ou 23592U qui mettent des milliards d’années à se

désintégrer, ou qu’ils sont produits lors de leur désintégration

. soit parce qu’ils sont créés en permanence par interaction des rayons cosmiques avec les gaz de l’atmosphère comme 3

1H ou 146C.

- artificiels, tous instables, créés par réaction nucléaire (bombardement)

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• Nucléides isobares = même A

Exemple isobare de A = 60

6026 Fe34 60

30 Zn30

6027 Co33 60

29 Cu31

6029 Ni32 stable

Exemple isobare de A = 135

13552 Te83

13553 I82

13554 Xe81 135

58 Ce77

13555 Cs80 135

57 La78

13556 Ba79 stable

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• Nucléides isotones = même N exemple ici N = 14

2410 Ne14 25

11 Na14 2612 Mg 14 27

13 Al 14 2814 Si14 ...

• Nucléides isomères = même A, Z, N

énergie interne différente

142 keV 99mTc

0 99Tc

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Masse du noyau, E de cohésion.

Généralement Mnucléide Z Mproton + (A - Z)Mneutron

M = Z Mproton + (A - Z) Mneutron - Mnucléide

El = M C2 énergie de liaison.

Forces de cohésion qui diminuent très vite quand r augmente.

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Unités pratiques :

- énergie : eV (keV, MeV) ; 1 eV = 1,6 10-19 J

- masse : unité de masse atomique l u = 1/12 masse 126 C

Masse atomique molaire : 12 g

d ’où 1 u = 1 12.10-3 = 1,66.10-27 kg

12 N

1 u = 931,5 MeV / C2

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Masse des constituants de l’atome.

u MeV / C2

n 1,00866 939,573

p 1,00727 938,279

e 5,486 10-4 0,511

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Nombres magiques :

N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, ?

Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82, ?

modèle en couches du noyau atomique

Nombres d’isotopes stables :

Z = 20 N = 20, 22, 23, 26, 28

Z = 50 N = 62, 64 à 70, 72, 74, 76

N = 20 Z = 16 à 20

N = 50 Z = 36 à 40, 42

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2. LA RADIOACTIVITELES TRANSFORMATIONS

RADIOACTIVES

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• Nucléides lourds

- Fission

- Emission A

ZX A-4 Z-2Y + 4

2He++ particule avec Ec

Particules Ec 4 - 10 MeV.

Parcours dans l’eau 0,03 mm.

Danger : ingestion, inhalation.

Application médicale : radiothérapie de contact.

Y peut être instable : « familles » radioactives.

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•Nucléides avec excès de neutrons :

transformation isobarique -

10n 1

1p + 0 -1e- +

AZX A

Z+1Y + 0-1e- +

Le spectre en énergie de la particule - est continu, des énergies faibles jusqu’à un maximum : il y a partage de la E entre l’électron et un antineutrino.

Parcours dans l’eau : quelques millimètres.

Danger : ingestion mais aussi contamination externe

Application médicale : radiothérapie interne (131 I, 90 Y …)

Y peut être instable (radioactif ou -) ou excité (Y*), donnant alors lieu à une transformation isomérique.

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•Nucléides avec excès de protons. Transformation p n

- émission 1

1p 10n + 0

1e+ + 00 spectre + continu, partage de E - 1,02 MeV.

donc E 1,02 MeV pour que la transformation soit possible.

Lorsque le + a perdu son énergie cinétique, il se dématérialise

01e+ + 0

-1e- 2 00 Deux photons de dématérialisation E = 511 keV

Les 2 photons de dématérialisation sont antiparallèles.

AZX A

Z-1Y + 00 + 0

1e+ (polyénergétique) + 2 00 (monoénergétiques)

Parcours dans l’eau des + : quelques millimètres.

Danger : contamination externe et interne par + mais aussi irradiation externe par les photons de dématérialisation.

Application médicale : TEP

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h - Capture électronique (généralement couche K) : possible sans seuil de E1

1p + 0-1e- 1

0n + 00

AZX A

Z-1Y +00

Emission de photons X de fluorescence du fait de la vacance électronique (cf fig.).Eh= EK - EL = (EK - EM) + (EM - EL)...et/ou d’électrons Auger (fig. du bas).

Applications médicales :-Photons X parfois utilisables pour imagerie, le plus souvent pour comptage radioimmunologie …-Electrons Auger pour radiothérapie au niveau cellulaire car parcours dans l’eau très court (ordre du µm).

e-

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• Un nucléide peut-il se désintégrer selon les 3 modes isobariques ? OUI, pour certaines valeurs paires de A, il y a alors deux valeurs de

Exemple isobare de A = 106

10643 Tc63

10644 Ru62 106

50 Sn56

10645 Rh61 106

47 Ag59 10649 In57

10646 Pd60 106

48 Cd58

stable stable

10647 Ag59 a Z et N impairs, il n’est pas stable, alors que les deux

nucléides voisins dont Z et N sont pairs sont stables. Il peut se désintégrer selon les 3 modes isobariques : - vers 106Cd, + ou CE vers 106Pd.

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•Transformation isomérique (TI).

TI X* X*

X X

- Emission de photons gammas, simple, en parallèle ou en cascade.

AZX* A

ZX + 0ospectre monoénergétique ou de raies

Parcours dans l’eau : pouvant atteindre plusieurs cm voire m.

Danger : irradiation externe et aussi interne (mais moins que les particules chargées à énergie égale)

Application médicale : scintigraphie

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e-

- Conversion interne : E confiée à un électron du cortège. Intervient concurremment à l’émission gamma

Suivie de :- émission de photons X de fluorescence- ou émission d’électrons Auger

h

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• Quantitativement : Chaque noyau d’un radionucléide donné a une probabilité par unité de temps de se désintégrer, sa « constante radioactive », inverse d’un temps et que l’on note , caractéristique du radionucléide.

Parmi N(t) atomes du radionucléide, le nombre dN de ceux qui se désintègrent pendant un court intervalle de temps dt vaut :

dN = - N(t) dt N(t) = N0e- t où N0 est le nombre d’atomes à t = 0

• La période radioactive T : t = T pour N = N0 / 2 => T = ln 2 /

• L’activité : Nombre de noyaux du radionucléide qui se désintègrent par unité de temps: A = dN / dt , A en Bq = 1 désintégration par seconde.

A = dN / dt = N , l’activité d’un échantillon dépend donc de la nature et aussi de la masse du radionucléide dans l’échantillon.

Il y a également une diminution exponentielle de l’activité avec le temps: A = N d’où A(t) = A0e- t ou A(t) = A02 - t /T

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• Filiations radioactives

Lorsque le radionucléide père se désintègre en un radionucléide fils qui est lui aussi radioactif, deux cas sont intéressants à considérer :- l’équilibre de régime où du père < du fils ( T1 > T2) permet de construire un générateur, de façon a disposer du radionucléide fils surune durée beaucoup plus longue que T2.Exemple médical : le générateur de 99Mo/99mTc99Mo -> 99mTc + 0

-1e- + avec T = 67 h 99mTc -> 99Tc + avec T = 6hLe générateur, initialement rempli de 99Mo, se charge en 99mTc que l’on peut récupérer par séparation chimique tous les jours ;l’activité de 99mTc est sensiblement égale (un peu >) à celle du 99Mo présent à cet instant dans le générateur.- l’équilibre séculaire où du père << i des fils ( T1 >> Ti), l’activité de chacun des radionucléides fils est égale à celle du père.

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• La radioactivité et le vivant : période efficaceLorsqu’un radionucléide (par exemple un traceur radioactif poureffectuer une scintigraphie) est introduit dans un organisme vivant, il peut disparaître de cet organisme par deux mécanismes :- la décroissance radioactive physique dont la « probabilité » par unité de temps est p- l’élimination biologique (urine, féces, sueur, air exhalé …) dont la « probabilité » par unité de temps est bLa « probabilité » totale de disparition par unité de temps este = p + b. On peut aussi exprimer les périodes correspondantes, enunités de temps ( T = ln 2 / ), et on montre aisément que :1/Te = 1/Tp + 1/Tb, Te étant appelée la période efficace.Si Tp >> Tb, Te = Tb, la disparition se fait par un mécanisme biologiqueSi Tp << Tb, Te = Tp, la disparition se fait par décroissance radioactive.Ces notions peuvent être appliquées à un organe (pour la dosimétrie).A radioactivité équivalente (activité, particules et énergie émises), plus Te est court plus l’irradiation est faible (pas forcément vrai pour Tp).