Ch 1 Abks Les Radioelements Pr n Ben Rais Fev 2016.Ppt [Mode de Compatibilité]

CH 1 LES RADIOELEMENTSPr N BEN RAIS AOUAD

15/02/2016 1

Pr N BEN RAIS AOUADChef de service de mdecine nuclaire

Centre hospitalier IBN SINADirectrice UPR de Physique, Biophysique et Mdecine Nuclaire

Facult de Mdecine et de Pharmacie de RabatDirectrice de lquipe de recherche en oncologie nuclaire

Universit Mohammed V Rabat

N BEN RAIS AOUAD

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objectifs Connaitre la structure de latome de Bohr ; Connaitre la structure , la reprsentation et la

composition du noyau; Connaitre l nergie de liaison et la diffrence entre les

forces nuclaires et les forces lectrostatiques;forces nuclaires et les forces lectrostatiques; Connaitre lu.m.a ; Diffrencier les isotopes, les isobares, les isotones et

les isomres.

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LES RADIOELEMENTSHistoriqueI -Structure atomiqueII -Structure du noyau1-Constitution

a- Protonb- Neutron

2-Reprsentation des noyaux3-Charge du noyau3-Charge du noyau4-Masse du noyau

a-Unit de masse atomiqueb- Masses Proton Neutron

55--Energie de liaison des noyaux Energie de liaison des noyaux 6-Forces Nuclaires7-Isotopes8- Isobares9-Isotones10-Isomres



Rappels historiquesDcouverte des RX

Pr N Ben Ras Aouad 515/02/2016


HistoriqueDcouverte de la radioactivit



Historique



Dcouverte du radium et du polonium

Elle est atteinte dune leucmie radio-induite ayant dclench une anmie aplasique. Malgr sa faiblesse, elle continue dassurer la continue dassurer la direction de la section de physique et chimie de lInstitut du radium.Le 29 juin 1934, elle se rend au sanatorium de Sancellemoz Passy (Haute-Savoie) pour y tre hospitalise.Elle y dcde le 4 juillet.

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Marie Curie Marie Sk"odowska-Curie, ne Maria Salomea Sk"odowska Ne le 7 novembre 1867 Varsovie, au sein du Royaume du

Congrs (actuelle Pologne); Dcde le 4 juillet 1934 au sanatorium de Sancellemoz

situ Passy (Haute-Savoie, France), est une physicienne et chimiste polonaise, naturalise franaise.

Pierre Curie son poux et Marie Curie reoivent une Pierre Curie son poux et Marie Curie reoivent une moiti du prix Nobel de physique de 1905 (l'autre moiti est remise Henri Becquerel) pour leurs recherches sur les radiations.

En 1911, elle obtient le prix Nobel de chimie pour ses travaux sur le polonium et le radium

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Discours de Pierre Curie le 6 Juin 1905 lAcadmie des Sciences de Sude Stockholm

On peut concevoir encore que dans des mains criminelles le radium puisse devenir trs dangereux, et ici on peut se demander si lhumanit a avantage connatre les secrets de la nature, si elle est mre pour en profiter ou si cette connaissance ne lui sera pas nuisible.

Lexemple des dcouvertes de Nobel est caractristique, les explosifs puissants ont permis aux hommes de faire des explosifs puissants ont permis aux hommes de faire des travaux admirables.

Ils sont aussi un moyen terrible de destruction entre les mains des grands criminels qui entranent les peuples vers la guerre.

Je suis de ceux qui pensent, avec Nobel, que lhumanit tirera plus de bien que de mal des dcouvertes nouvelles .

Pierre Curie

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Historique Les rayons de lespoir

Pierre Curie, PRIX NOBEL 1905 Stockholm ATOME POUR LA PAIX : Le pari du prsident

Eisenhower USA en 1953

AIEA: 1957 CIPR:1928

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Dwight D. Eisenhower, Des atomes pour la paix Discours prononc le 8 dcembre 1953 devant

lAssemble gnrale des Nations Unies.

Dans son discours historique Des atomes pour la paix prononc en dcembre 1953 devant lAssemble gnrale des Nations Unies, le prsident des tats-Unis Dwight D. Eisenhower promettait que les tats-Unis assumeraient la responsabilit de leurs actes antrieurs, actuels et futurs dans le domaine nuclaire.nuclaire.

Quatre annes plus tard, en juillet 1957, lAgence internationale de lnergie atomique (AIEA) voyait le jour. tablie Vienne, en Autriche, cette organisation a pour mission dassurer le dveloppement sr et durable de la science et de la technologie nuclaires dans les domaines de lnergie, de lenvironnement, de la sant et de lagriculture.

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lAssemble gnrale des Nations Unies 1953; le prsident des tats-Unis Dwight D. Eisenhower

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LES RADIOELEMENTS -En 1895 : Roentgen dcouvre les rayons X.

-En 1896 : BECQUEREL dcouvre que certains minerais mettent spontanment des rayons

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minerais mettent spontanment des rayons qui, comme les rayons X impressionnent les plaques photographiques .

Il baptisa du nom de radioactivit ce phnomne.

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- En 1934 Irne et Frderic Joliot Curie dcouvrent la radioactivit artificielle: NAISSANCE de La MEDECINE NUCLEAIRE

- les expriences fondamentales de Rutherford et ses collaborateurs sur les proprits des

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et ses collaborateurs sur les proprits des substances radioactives et sur linteraction des rayonnements avec la matire sont lorigine notre connaissance de la constitution de latome.

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I- structure atomique : Latome est constitu par un noyau charg

positivement autour duquel gravitent les lectrons (e-).

Le nombre de- de latome varie suivant llment considr. On le dsigne par Z : numro atomique de llment qui

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Z : numro atomique de llment qui correspond sa classification dans le tableau de Mendeleiff (1868)

Les e- sont lis au noyau atomique par des forces dinteraction qui leur assignent une trajectoire .

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Tableau de Mendeleiff (1868)Tableau priodique des lments chimiques



Masse de latome



Quatre premiers modles atomiques :Comparaison de 4 premiers modles atomiques

Thomson , Rutherford, Bohr et Schroedinger



Dcouverte du noyau atomique:1911



Atome de Bohr 1913 : Niels Bohr propose un modle atomique

quantique: les orbites des lectrons ont des rayons dfinis, il

n'existe que quelques orbites autorises ; ainsi, les changes d'nergie quantifis correspondent ainsi, les changes d'nergie quantifis correspondent

des sauts entre les orbites dfinies.



Sommerfeld en 1916 propose latome orbites elliptiques ; alors que

Latome propos par Bohr en 1913 est un modle simple orbites circulaires que nous allons adopter comme schma simplifi :

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allons adopter comme schma simplifi :Atome de Bohr : Les e- gravitent autour du noyau sur des orbites dont les rayons ont des valeurs quantifies. +++

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K n= 1 L n=2 M n=3 rn = rayon de lorbite de rang n; n= nombre entier= 1,2,3. Z= Numro atomique de llment.

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m = masse e- = 9,109.10-31 Kg e = charge e- = 1,6.10-19 C K= constante de proportionnalit : 1/4 * +

(K=1 dans cgs) = constante = h/2 * avec h =Constante de Planck

h=6,62.10-34 J.sN BEN RAIS AOUAD


Aux diffrents rayons dorbites correspondent diffrentes nergies. Lnergie totale de le- sur lorbite n :+++

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- Cette nergie est ngative car il faut fournir de lnergie le- pour larracher du champ du noyau.

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Dimension de latome



Un atome a une taille de l'ordre de 10-10m=Angstrom, soit un dixime de millionime de millimtre !

Le noyau atomique a une taille de l'ordre du Fermi (fm ) ; 1fm=10-15m, soit cent mille fois plus petit que l'atome !

Un lectron est thoriquement une particule ponctuelle, sa taille est infrieure 10-18m, soit au moins cent millions de fois plus petit que l'atome



EXEMPLE : Atome d4He-Atome d'hlium 4(4He )avec, apparaissant au centre, le noyau atomique ( ros) et,

en dgrad de gris tout autour, le nuage lectronique .Le noyau d'hlium 4, agrandi droite, est form de deux protons et de deux neutrons.



Atome = structure lacunaire



Latome est lectriquement neutre



Ionisation; Excitation Un atome est lectriquement neutre; Pour dplacer un e- vers un niveau suprieur

(orbite), il faut lui fournir de lnergie : latome est excit. Cet tat est instable, l- revient son niveau dnergie initial en rayonnant sous forme dnergie initial en rayonnant sous forme lectromagntique son excs dnergie : cest le phnomne dmission.

Si lnergie fournie latome est suffisante pour lui arracher un e-, il devient un ion charg positivement : cest le phnomne dionisation.



II - Structure du noyau1) ConstitutionLe noyau est constitu de diffrentes particules

lmentaires. Dans une reprsentation simplifie ; on considre le

noyau comme compos de Nuclons (A)= Protons et Neutrons.

a/ Proton (Z) :

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a/ Proton (Z) : Cest le noyau de latome dHydrogne.mP= 1836 m e-Sa charge lectrique lmentaire est positive = +1,6.10-19 Cb/ Neutron (N)

mN ( mP Mais sa charge lectrique est nulle. N BEN RAIS AOUAD


La neutralit de latome exige que le nombre de protons soit gal au nombre de- priphriques.

Z = Nombre e- = Nombre protons;

N = Nombre de Neutrons (= A-Z);

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A = Z+N = Nombre de Nuclons, cest le nombre de masse du noyau, il reprsente la masse du noyau , masse de latome si lon considre que la masse de le- =0

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Composition des nuclonsLe modle standard de la physique des particules dcrit les nuclons comme composs de particules lmentaires appeles quarks :appeles quarks :

le proton est constitu de deux quarks up et d'un quark down : p+ = uud ;

le neutron est constitu d'un quark up et de deux quarks down : n0 = udd.



2) Reprsentation des noyaux : +++ Pour reprsenter le noyau dun lment X, appel

encore Nuclde ou nuclide; on utilise la reprsentation suivante :

X=Symbole chimique de llment.

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A = Nombre de masse de llment. Z = Numro atomique de llment = Nombre

de- ou de protons. N = Nombre de Neutrons de llment. N = A-Z

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Reprsentation du noyau



Composition du noyau



Six types de quarks



Les quarks sont relis entre eux par des gluons15/02/2016

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Exemple de reprsentation de noyaux :

Carbone: : 12 Nuclons 6 protons 6 Neutrons (N=A-Z)

Radium: : 226 Nuclons 88 protons

138 Neutrons Cette reprsentation peut tre applique aux

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Cette reprsentation peut tre applique aux particules lmentaires :

Neutron :

Proton :

lectron :

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3) Charge du noyau :Charge globale = +Z |e-|

4) Masse du noyau M :M atome = M noyau + Z me-

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a) Unit de masse atomique : +++Masse molaire = masse dune mole.

1 mole N atomesN = Nombre dAvogadro = 6,023.1023

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Ex :12C a pour masse molaire 12g = masse de Natomes

Masse dun atome de 12C = (12 /N) g

Lu.m.a est le douzime de la masse dun atome de carbone 12 .

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carbone 12 .

u.m.a = (1/12) x (12g/N) = 1/N =1,660565.10-24 g= 1,66.10-27 Kg

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Loi de la relativit d Einstein : E = m.C) +++E = m.C) =1,66.10-27 x (3.108)- en Joule

C=Clrite = 3.108 m/s ; 1 Joule = (1/1,6 10-19) eV

E = (1,66. 10-27 x (3.108) -) / (1,6 .10-19) eV

E = 931 MeV 1MeV = 106 eV

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Lquivalence masse nergie : u.m.a = u 1 u.m.a = 1,66.10-27 Kg

931 MeV

u.m.a = 931/ C)

Exprimes en u.m.a ; les masses des atomes sont voisines de nombres entiers (leur nombre de masse)

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b) Masses Proton - Neutron : mN= 1,00866 u.m.a = 939,550 MeV mP = 1,00727 u.m.a = 938,256 MeV mN , mP mN- mP = 0,00139 u.m.a = 1,294 MeV me- = 0,511 MeV = 511 KeV5) Energie de liaison des noyaux :++

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5) Energie de liaison des noyaux :++ Dsignons par : mN : masse neutron

mP : masse proton M(A,Z) :masse du noyau La masse dun noyau est toujours infrieure la

somme des masses des nuclons qui le constituent. N BEN RAIS AOUAD


La diffrence : *M= somme des masses des nuclons masse

du noyau sappelle le dfaut de masse. En principe : M(A,Z) = Z mP + (A-Z) mN En ralit :

M(A,Z) = Z mP + (A-Z) mN .M

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.M = [Z mP + (A-Z) mN] M(A,Z)Ce dfaut de masse correspond lnergie quil faudrait fournir au noyau pour le "casser" en ses diffrents constituants (Nuclons) c'est--dire lnergie de liaison totale EL des nuclons dans le noyau EL = + MC)

N BEN RAIS AOUAD


Masse du noyau < Somme des masses de ses constituants



Dfaut de masse : nergie quil faut fournir au noyau pour

le sparer en ses constituants : nergie de liaison totale

EL des nuclons dans le noyau

EL = M c2

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Dans un noyau, lnergie de liaison moyenne par nuclon vaut:

EL Em = --------------

AAvec A: nombre de masse

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6) Forces Nuclaires :La cohabitation des nuclons lintrieur du noyau est rendue possible grce lquilibre qui existe entre:

- les forces lectrostatiques de Coulombsexerant entre protons (forces de rpulsion)

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sexerant entre protons (forces de rpulsion) et entre les protons et les lectrons orbitaires (forces dattraction) ; et

- les forces nuclaires sexerant entre nuclons( interaction forte).

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Interaction forte



7) isotopes (/ =Constant) ++Ces lments ont des proprits chimiques identiques mais diffrent par leur nombre de masse A (A #).Ils portent le mme nom. Leur proportion relative dans un mlange est labondance isotopique.

Z=19 :19 K est un mlange : ; ; ;

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Z= 1 : Atome de lhydrogne Tritium = Isotope de lhydrogneDeuterium = Isotope de lhydrogne

Z=3 lithium: ;

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Deux isotopes auront les mmes proprits chimiques et biochimiques et auront donc

Un comportement mtabolique identique. Cest le principe de base de leur utilisation mdicale



8) isobares : A= Constant ++ On appelle isobares deux noyaux ayant le mme

nombre de masse : A1=A2; Z1#Z2 ; N1#N2.

Exemple : A=60: ; ; ;

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A=16: ; ;

N BEN RAIS AOUAD


9) isotones : N = Constant ++ Mme nombre de neutrons mais des

nombres differents de protons

N=7 ; ; N=8 ; ;



10) isomres : ++Noyaux identiques mais dans des tats dnergie diffrents.

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Le techntium 99 mtastable trs employ en Mdecine Nuclaire ne diffre de son isomre le Techntium 99 que par son niveau dnergie interne plus lev

Le passage de lun lautre se fait par une transition isomrique avec mission dun photon gamma.15/02/2016 N BEN RAIS AOUAD


Ltat fondamental: AX tat dnergie minimale ;

Les tats excits: AX* trs instables dune dure de vie < 10 -12 s(10ps) au bout de laquelle se transforment vers un tat plus stable;

Les tats mtastables: AmX instables mais leur dure de vie > 10 -12 s jusqu plusieurs heures.

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