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Radiobiologie

L3 IUP Ingéniérie de la Santé

2009

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I. Rappels sur la physique des rayonnements ionisants

II. Interaction des rayonnements ionisants avec la matière et notion de dose

III. Radiobiologie et radiopathologie

IV. Radioprotection

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Rappels sur la physique des rayonnements ionisants

1- Structure de la matière

Atome

Electrons Nucléons :

protons et neutrons

LeptonsBaryons

3 Quarks

Neutrinos

4

2-Les particules élémentaires et les différentes interactions

a) Particules élémentaires :

6 leptons et 6 quarks Ils portent une charge. A chaque particule correspond son antiparticule

(antimatière) de charge opposée.

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b) Les différentes interactions

Interactions par l’intermédiaire de vecteurs

Gravitation Electromagnétique

Faible Forte

Vecteur Graviton Photon Bosons W+, W-, Z°

Gluons

Agit sur Toutes les particules

Partic Chargées

Leptons

nucléons

Quarks, nucléons

Importance relative

10-40 10-2 10-5 1

Portée Infinie Infinie en théorie

< 10-15m < 10-15m

Électro-faible

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3- Equivalance masse : énergie

A toute particule correspond une énergie de masse au repos Eo

Eo = moC2

(Particules en mouvement E = moC2 + Ec)

Pour l’électron mo = 0,5486 uma Eo=0,511Mev

1uma = 10-3 Kg / N (nombre d’Avogadro)

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4- Le cortège électronique de l’atome4-a) Les électrons, particules élémentaires

L’électron porte une charge négative (-1,6 10-19C) égale en valeur absolue à celle du proton qui porte une charge positive

Les électrons décrivent autour du noyau des orbitales dont les niveaux énergétiques sont quantifiés.

Chaque orbitale occupe un niveau discret caractérisé par le nombre quantique principal: n, le nombre quantique du moment angulaire: l, le nombre quantique magnétique: m et le nombre quantique de spin: s (+ ou -1/2 )

Energie de liaison d’1 électron :

2

2

0*n

ZbW

n

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4- Le cortège électronique de l’atome4-b) Absorption et émission d’énergie par le nuage

électronique de l’atome

4 mécanismes d’échanges énergétiques au niveau de la structure électronique de l’atome

1) absorption d’énergie :

ionisation

excitation

2) émission d’énergie :

fluorescence et émission de RX

émission d’électrons Auger

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4-b-1 Absorption d’énergie

• Excitation • Ionisation

è (Ec)

h

è

h

Wl initiale > Wl finale

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4-b-2- Emission d’énergie : fluorescence et effet Auger

Fluorescence• Un atome excité se

trouve dans un état instable.

Le retour à l’état fondamental stable se fait en émettant de l’énergie (restitution de l’énergie absorbée antérieurement).

h= E1 - E2

E1E2

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4-b-2 Emission d’énergie

Transitions électroniques, RX

Ionisation sur une couche électronique profonde retour à l’état fondamental par une cascades de transitions électroniques .

Une série de photons sont émis : les RX.

Seules certaines transitions électroniques sont permises.

Les RX émis sont caractéristiques de l’atome.

Effet Auger, électrons Auger

après ionisation sur une couche profonde.

L’énergie émise lors du retour à l’état stable va être directement communiquée à un électron lié par une énergie inférieure à celle de la transition;

cet électron est alors éjecté = électron Auger.

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4-b-2 Emission d’énergie

h=RX

Vacance d’élec

Élect Auger

Émission de RXSeules certaines transitions sont permises

Émission d’électron AugerPas d’interdiction

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4-b-2 Emission d’énergie

• Rendement de fluorescence :

)()(

)(

èAugerprobabRXprobab

RXprobabw

Z

w

1

20 40 60 80

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5- Le Noyau5-1- Structure

Constitué de nucléons. Nucléons = protons et neutrons (dimension de l’ordre de

10-15m.)

Protons

Masse = 938,36Mev/C2

3quarks : u, u, d

Charge = +1

Stable isolé

Neutrons

Masse = 939,55Mev/C2

3 quarks : u, d, d

Charge = 0

Instable : 10n 1

1H + -1è

AZX

N

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5-2 Energie de liaison nucléaire

La cohésion du noyau est due principalement à l’interaction forte (portée 10-15m, entre nucléons, indépendamment de la charge)

L’interaction EM diminue la cohésion, sensible pour les noyaux lourds

L’interaction faible est de faible importance. Elle explique certaines désintégration radioactives

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5-2 Energie de liaison nucléaire

• Défaut de masse: B = énergie de liaison des nucléons entre eux.

B=[ masse des protons + masse des neutrons] - [Masse Noyau] *C2

• Énergie de liaison par nucléon : B/A ( de 1 à 8,5Mev).

• Plus B/A est élevée, plus le noyau est stable.

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60 100 200

B/A (Mev)

4

8

Énergie de liaison par nucléon B/A des noyaux de la nature

Allure de la courbe, qui passe par un maximum pour les noyaux intermédiaires, noyaux les plus stables (les plus liés)

A44

18

6- Les Isotopes

Dans la nature : 90 éléments

81 sont stables de 1H à 83Bi

au milieu 2 sont artificiels, 43Tc et 61Pm

9 sont des radioéléments naturels de 84Po à 92U

le 92U est le dernier élément naturel

Éléments artificiels : les transuraniens (~~19) + 43Tc et

61Pm

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7- Stabilité et instabilité nucléaire

Les noyaux instables = noyaux radioactifs ou radionucléides

Désintégration = transformation nucléaire où le Z change, donc la nature chimique de l’élément fils est différente de celle du père.

Transition nucléaire = seule la nature énergétique du noyau varie, la nature chimique n’est pas modifiée.

Le noyau résultant d’une désintégration ou d’une transition nucléaire peut être stable ou radioactif.

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7- Stabilité et instabilité nucléaire

Les noyaux stables se répartissent sur « la vallée de stabilité » de la courbe N (nombre de neutrons) = f(Z, nombre de charges).

Les noyaux trop lourds, Z > 82 sont instables et se désintègrent en émettant une particule (noyau de 4He).

Les noyaux qui ont trop de neutrons se désintègrent par émission -

Les noyaux qui ont trop de protons se désintègrent par émission +

21

Z

N

25

25

Diagramme N=f(Z) des nucléides stable (« vallée de stabilité »)

Émission +

Émission -

Émission

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8-Radioactivité naturelle

Due aux 3 familles de radionucléides naturels. Ces familles radioactives étaient présentent au moment de la formation de la terre

Les chefs de file de chaque famille donnent leur nom à leur famille.

Ce sont : 238U (T1/2 : 4,5 109 ans); 235U (T1/2 : 0.7 109 ans) et 232Th (T1/2 : 1.3 109 ans).

Ces 3 radionucléides donnent les 3 familles radioactives qui aboutissent comme derniers descendants aux isotopes du Pb

respectivement : 206-Pb, 207-Pb et 208-Pb.

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9- Radioactivité artificielle

Tous les éléments après 92U sont artificiels auxquels s’ajoutent le

43Tc et le 61Pm.

Actuellement un grand nombre de radionucléides peuvent être

produits soit à des fins de recherches soit à des fins médicales.

Les radioéléments artificiels ou les radionucléides artificiels sont

produits dans des réacteurs nucléaire (fission), dans des

accélérateurs ou dans des cyclotrons; ils sont le produit d’une

réaction nucléaire provoquée entre un noyau cible et un

rayonnement projectile.

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8-Radioactivité naturelle

Éléments naturels hors familles :

Radionucléides isolés et d’activité très faible, principalement:

Le 40K très répandu en faible teneur (0.0119% du K naturel) ,

émetteur - et , période de 1.3 109 ans.

Le 87Rb (rubidium) abondant dans certains minéraux (27,85% dans

le Rb naturel), émetteur -, période de 4.3 1010 ans.

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10- Les Différents Modes de Transformations NucléairesDésintégration -

Noyaux trop riches en neutrons

Un neutron se transforme en proton et un électron et un anti-

neutrino sont éjectés. Le rayonnement - est constitué de fait d’un

électron et d’un antineutrino de l’électron pour chaque

désintégration.

Le spectre d’énergie de l’électron émis est continu (l’énergie de la

transformation se distribuant entre l’électron et son anti-neutrino).

Équation de désintégration :

AZX A

Z+1Y + -1è +e

60Co 6028Ni +-1è +e

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10- Les Différents Modes de Transformations NucléairesDésintégration

Un proton se transforme en neutron et un positon (anti-électron) et

un neutrino de l’électron sont émis.

Rayonnement + = positon + neutrino de l’électron.

Le positon est une antiparticule, lorsqu’il rencontre un électron de la

matière, il se produit une réaction d’annihilation qui donne 2 photons

de 0.511Mev à 180°.

Équation de désintégration:

• AZX A

Z-1Y + +1è +e

• Ex: 189F 18

8O ++1è +e

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10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Capture électronique

Avec les noyaux lourds

Lorsque la désintégration + est impossible (pas assez d’énergie).

Un électron d’une couche profonde (K le plus souvent) est capturé par le noyau; l’électron capturé donne avec un proton un neutron.

Il en découle une vacance sur la couche K comblée par les électrons des couches supérieures donc une émission de RX (caractéristiques de l’élément fils) et d’électrons Auger.

RX et électrons Auger sont les seuls rayonnement résultants d’une désintégration par capture électronique.

Équation : (A, Z)X + è (A, Z-1)Y + RX +è Auger

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10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Désintégration

La particule émise est un noyau d’hélium : (4, 2)He

L’émission a ne s’observe que pour les noyaux lourds (Z> 82)

Équation : (A, Z)X (A-4, Z-2)Y + (4, 2)He

Ex : (238, 92)U (234, 90)Th + (4, 2)He

La particule est émise le plus souvent avec une énergie élevée

(un à plusieurs Mev)

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10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Emission et Conversion Interne

Isomères = 2 noyaux de même A et même Z qui ne diffèrent que par leur état énergétique.

Transition isomérique = le noyau passe d’un état instable à un état plus stable en émettant de l’énergie ( photon ou électron).

La transition isomérique, émission gamma ou conversion interne, se produit après une désintégration ou capture électronique .

On note l’état excité : AZX*

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10- Les Différents Modes de Transformations Nucléaires Emission et Conversion Interne

Émission gamma : en se désexcitant, le noyau émet un photon = rayon gamma d’énergie : E = Ei – Ef

Ex : (111, 49) In (2,8j) (111, 48)Cd*

Capt ele(99%)

:172Kev, 247Kev

(111, 48)Cd

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*

è : Ec = (Ei-Ef) -El

+ RX

+ è Auger

• Conversion Interne• L’énergie de désexcitation est transmise directement à un électron

des couches profondes, K ou L, qui est éjecté

• La conséquence est une vacance dans le nuage électronique profond et donc l’émission de RX et d’électrons Auger

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11- Activité d’une source radioactive

La transformation nucléaire est un phénomène aléatoire : probabilité d’émission.

La constante radioactive caractérise la probabilité d’émission en s-1

dN noyaux se transforment pendant dt dans une source de N noyaux :

dN = -Ndt

Donc nombre de noyaux à l’instant t: N(t)=N0 exp-(*t)

à t=o N = No

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11- Activité d’une source radioactive

Source de N noyaux

Activité = transformations par seconde

Et A = N

At = No exp-t

Ao =No

At = Ao exp-t

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11- Activité d’une source radioactiveUnités

Le Becquerel : Bq = 1 transformation nucléaire/seconde

Ancienne unité : le Curie : Ci

1Ci = 37 109Bq

1mCi = 37MBq

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11- Activité d’une source radioactivePériode radioactive

Appelée aussi période physique ou demi-vie radioactive : T1/2

Pour t = T1/2

Remarque : après t = + 10 * T1/2 N~ No / 1000

20

2/1

NN

T

693,022/1

Ln

T

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11- Activité d’une source radioactiveCalcul de la masse de radionucléide correspondant à une activité

• Nombre de noyaux

• Et masse recherchée

A

N

**

*avogadro

molaire

molaire

avogadro

atomes

g N

MAM

N

Nm

Exemple :L’ exploration thyroïdienne avec 1,85MBq de 131I (131I-iodure de Na) : l’activité injectée correspond à 0.4ng d’iode injectée.