UE3 - Cours 1 - Radioactivité (Guilloteau) . PDF PDF

Preview

Summary

radioactivité par pr. guilloteau ou ribeiro...

Description

Radioactivité

(Guilloteau)

Pourquoi étudier la radioactivité ? * Application biologiques (RIA) * Applications médicales (Médecine nucléaire) - diagnostiques : on veut juste faire une image mais en évitant d'iradier le patient - thérapeutiques : cancérologie : on veut iradier le patient donc 2 types de rayonnements. * Energie nucléaire (probleme de santé publique, radioprotection)

I - Bref historique 1896 Henri BECQUEREL

(Prix Nobel Physique 1903)

Sulfate d'uranyl impressionne une plaque photographique 1898 Pierre et Marie CURIE

(P et M : Prix Nobel Physique 1903) (M : Prix Nobel Chimie 1911)

Isolement polonium et radium 1934 Irène et Frédéric JOLIOT-CURIE

(Prix Nobel Chimie 1935)

Découverte radioactivité artificielle Al + α ----->

30

P

1992 George CHARPAK (Prix Nobel de Physique) 1992 : prix nobel de physique pour la description d'un système pour détecter les rayonnements.

* Remède aux excès

retour à la stabilité par transformation du noyau

* C'est un processus nucléaire, spontané (ou provoqué), probabiliste, exo énergétique Uranium 238 ; Thorium 232 Potassium 40 ; Carbone 14 * Naturelle ou artificielle Fluor 18 ; Carbone 11 ; Iode 123 Iode 131 ; Technétium 99m * Emission de particules et rayonnements particulaire ou électromagnétique

II- Généralités : Atomes, noyau Atome : Grèce antique 25 siècles idée de l'atome Le mot “atome” vient du grec "a-tomos" et signifie “insécable”. Leucippe de Milet en 420 avant J.C émet l'idée Démocrite d'Abdera (environ 370 avant J.C) expliquait que la matière était constituée de corpuscules en perpétuel mouvement et dotés de qualités idéales.

Notion partiellement démentie !

Atome : électriquement neutre

Généralités : Particules élémentaires (fondamentales) : particules qui n'ont pas de sousstructure. - Fermions : particules massives, trois groupes dont un groupe de particules légères qui composent la matière ordinaire : * Quarks : u (up) et d (down) composant les nucléons (protons et neutrons) * Leptons : peuvent se déplacer librement (électrons, neutrinos) - Bosons : Transmettent les forces fondamentales . Les forces ne s'exercent entre deux fermions que s'il a échange d'une particule médiatrice, le boson . 13 bosons et les correspondants antibosons * Boson de Higgs découvert en 2012 (prix nobel de physique en 2013) = Boson BEH * Graviton : particule qui transemettrait l'interaction gravitationnelle * Photon : masse nulle, vecteur de l'interaction électromagnétique * Gluon : masse nulle, responsable de l'interaction nucléaire forte * Bosons intermédiaires : trois types de particules de masses "élevées, responsable de l'interaction nucléaire faible entre les leptons et les quarks.

Atome : niveau énergétique des interactions : Atome : --> Noyau

interactions électromagnétiques

--> Electrons

Energie eV et keV

Noyau : --> Protons

interactions nucléaires

--> Neutrons

Energie 106 eV (MeV)

Atome : Le noyau Constituants : - Nucléons : * Protons Z * Neutrons N

A = nombre de masse A = Z + N Z = numéro atomique (nombre de protons = nombre d'électrons) N = nombre de neutrons X = Symbole chimique * Protons : 1,6723 x 10-27 kg * Neutrons : 1,6747 x 10-27 kg

* Le numéro atomique, Z, caractérise un élément chimique Même nombre électron autour du noyau Propriétés chimiques, biologiques liées aux électrons * Le couple (A,Z) caractérise un nucléide : type d'atome défini à la fois par son nombre de protons et nombre de neutrons.

Certains éléments sont naturels, d'autres sont artificiels. Certains éléments sont radioactifs.

Atome :

* Isotopes : atomes aec Z identique et N différent, donc A différent

12

C = carbone de la matière : non radioactif. C : se retrouve naturellement 14 C : est fabriqué par des rayonnements qui viennent frappés la matière. 13

- Stables ou radioactifs Radioactifs : 3H, 14C, 11C, ils émettent des rayonnements pour se stabiliser. - Z identique même nombre d'électrons Propriétés biologiques et chimiques relativement identiques, effet isotopiques à part : les énergies de liaison change. Cette propriété peut modifier l'action de certains médicaments : métabolisme ralenti, dégradation plus lente. Effets isotopiques : molécules deutérées : changement de masse de 100% (effet isotopique peut être très important)

* Isotones : atomes avec Z différent et N identique, donc A différent

* Isobares : atomes avec A identique mais Z et N différents

Les isotones et les isobares sont des éléments chimiques différents. * Isomères : atomes avec Z, N et A identiques mais des niveaux d'énergie différents

Les nucléons peuvent se retrouver dans un état excité.

Noyau métastable = excès d'énergie qu'il va libérer en émettant un photon. (retenir Tecnicium : 99Tc) on l'obtient à l'état métastable, il redevient stable en émettant un rayonnement gamma (140keV = énergie suffisante pour sortir du corps humain et venir frapper la caméra). Rayon gamma = rayonnement issu du noyau Résumé : * Isotopes : atomes avec Z identique mais A et N différents * Isotones : atomes avec N identique mais A et Z différents * Isobares : atomes avec A identique mais Z et N différents * Isomères : atomes avec Z, N et A identiques mais E différent

III- Noyau : Masse, Energie, Défaut de masse Atome : masse répartie de façon hétérogène * Protons : 1,6723 x 10-27 * Neutrons : 1,6747 x 10-27 * Electrons : 9,11 x 10-31 Le protons est 1840 fois plus lourd que l'électron Atome : énergie de liaison * Chaque particule est retenue à l'atome par une force de liaison * Energie de liaison : énergie qu'il faut fournir pour extraire une particule de son atome Charge élémentaire (e) : charge électrique d'un proton ou, de façon équivalente, l'opposé de la charge électrique d'un électron. * Protons : + 1,6 x 10-19 C * Neutrons : sans charge * Electrons : - 1,6 x 10-19 C

Noyau : les forces nucléaires * Interaction coulombienne : forces de répulsion entre protons * Interaction nucléaire forte (gluon) : Forces d'attraction entre les nucléons (très intense à courtes distances) * Interaction nucléaire faible (bosons intermédiaires) : Transformations entre neutrons et protons.

Masse du noyau : * Masse du noyau (M) < masse totale des nucléons

L'énergie que l'on apporte au système pour rompre une liaison se retrouve sous forme de masse ou L'énergie nécessaire pour annuler l'interaction forte entre les nucléons Masse des atomes et des noyaux : - extrêmement petites - comparaison à une masse de référence : unité de masse atomique (µ) (uma)

--> 1 µ (uma) = 1/12 de la masse du noyau du 12C --> tous les nucléons ont des masses = 1 uma * Masse du noyau (M) < masse totale des nucléons

Masse du deutérium = 2,014735 uma δm = 2,017124 – 2,014735 = 0,002389 uma

Relations masse et énergie * Equivalence masse-énergie (Einstein, 1905)

* Energie de liaison des nucléons (W) * Energie moyenne de liaison des nucléons

1.

On peut stabiliser les noyaux légers par fusion (augmentation de leur masse et donc de leur énergie de cohésion = noyau plus stable) Pour stabiliser les noyaux lourds, on observe le phénomène de fission : couper un gros noyau pour obtenir deux noyaux plus stables. - Faible pour les noyaux légers - Croit raidement jusqu'au fer-56 - Décroit ensuite lentement

Relation uma et joule ou MeV 1 uma = 1,6605 x 10-27 kg E = 1,6605 x 10-27 x (3 x 108)² E = 1,49 x 10-10 J 1eV = 1,602 x 10-19 J

E = 931,502 MeV 931,502 MeV = 1,6605 x 10-27 kg x (3 x 108 m/s)2 931,502 MeV = 1 uma x C² 1 uma = 931,502 MeV/c²

1 µ (ou uma) = 931,502 MeV/c²

IV - Le noyau : Stabilité-Instabilité Stabilité et instabilité nucléaire * Noyaux stables : état fondamental -> durée de vie infinie -> Configuration telle que l'énergie de liaison est maximum -> Système lié de A nucléons (interaction attractive > interaction répulsive des charges) * Noyaux instables : état(s) excité(s) -> Durée de vie variant de la nanoseconde aux milliards d'années 11C : T1/2 = 20 min Tc : T1/2 = 6h -> Le noyau va spontanément se transformer en d'autres noyaux afin de revenir vers un état plus stable -> Transformation accompagnée de l'émission de rayonnements, porteurs de l'énergie libérée.

* Conditions de stabilité du noyau -> Parité -> Noyaux pairs-pairs (N et Z pairs) : ~ 82% des noyaux stables -> Noyaux pairs-impairs (N pair et Z impair ou N impair et Z pair) : ~ 13% des noyaux stables -> Noyaux impairs-impairs (N et Z impairs) : ~ 5% des noyaux stables

* La courbe de variation de l'énergie de liaison par nucléon en fonction de A montre trois régions : * Elements légers (A100) - Décroissance lente de la courbe de variation de l'énergie de liaison - Possibilité : fission d'un noyau lourd avec origine de deux noyaux plus légers avec libération d'énergie (réaction exo-énergétique)

Lorsque les forces de répulsions deviennent trop grande, il faut stabiliser le noyau, pour cela il faut ajouter des neutrons (augmenter les forces d'attraction sans augmenter les forces de répulsion) 1 - Instabilité dynamique : noyaux trop lourds/trop gros : fission obligatoire

Stabilité et instabilité nucléaire * Stabilité observée : --> Atomes légers : Z = N 4

He,

12

C,

16

O,

40

Ca

--> Atomes lourds, excédentaires en neutrons : A ~ 2,6Z 133

Cs,

196

208

Hg,

Pb

* Instabilité observée : --> Excès d'énergie --> Eléments radioactifs ou radionucléides ou radioisotopes . Naturels 14

C,

238

U,

232

Th

. Artificiels 18

F,

11

C,

123

I,

90

Sr,

192

Ir

V- Les différents types de rayonnement 1- Atomes situés au dessus de Z = 82 Instabilité dynamique (zone 1) Pas de disproportion entre N et Z, mais trop gros

Transformation non ISOBARIQUE (A varie)

Pas ou peu d'intérêt en biologie (thérapie) L'alpha thérapie : si on dépose un émetteur alpha dans une cellule cancéreuse, l'émetteur va émettre un rayonnement alpha et irradier la cellule cancéreuse.

Si on regarde le nombre de particules en fonction de ces particules, on obtient un spectre de raies. (dicta (1h15)) (en haut à droite) : autre façon de présenter une désintégration alpha La particule alpha ne transporte pas toujours exactement la même énergie => Plusieurs raies sur le spectre de raies. 2 - Excès de neutrons (Instabilité zone 2) a) Mécanisme

Transformation d'un neutron en proton Transformation ISOBARIQUE (A = constante) n ----> p + e- + antineutrino

Antineutrino (leptons) > particule électriquement neutre et de masse infiniment petite > n'interagit pratiquement pas avec la matière (la probabilité qu'un neutrino de quelques MeV traversant la terre soit absorbé est de l'ordre 10-10) Pas d'imagerie mais des applications en thérapie.

* Pas d'application en imagerie (ne sortent pas du corps humain) Exemple : l'iode 131 émet un βUne dizaine d'isotope de l'iode (iode stable = 127I) Le rayonnement beta - vient de l'iode 131, le rayonnement gamma provient du Xenon excité. I --> Xe* --> Xe L'iode 131 est utilisé en thérapie, l'iode 131 se fixe dans les métastases ou les résidus dans la thyroide.

b) Lois de conservation 1- Charge

2- Quantité de mouvement Rôle de l'antineutrino 3- Conservation de l'énergie Bilan énergétique de la réaction :

c) Spectre émission β-

Au tiers de l'énergie maximum : c'est là qu'on rencontre le plus de particule (beta)3- Excès de protons (Instabilité zone 3) * Transformation d'un proton en neutron * Capture électronique

3-1. Transformation d'un proton en neutron a- Mécanisme

Transformation isobarique (A = cste) p ---------> n + e+ + v e+ = β+

1.

Applications en imagerie : caméra à positon (TEP) (abus de langage : on ne détecte pas le positon mais les conséquences du positon) b) Lois de conservation

1- Charge

2- Quantité de mouvement Rôle du neutrino 3- Conservation de l'énergie Bilan énergétique de la réaction :

c) Spectre d'émission β+

Au tiers de l'énergie : zone où on a la plus grande probabilité de trouver un beta+ Désintégration bêta plus (β+) Le devenir du positon Conséquence émission bêta + : annihilation

Emission électromagnétique Gamma caméra à positons

.

(mesure du temps de vol)...