Bases Physiques, notions élémentaires

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I.3.1. L’atome et ses constituants

Un atome est constitué d’un noyau plus ou moins complexe autour duquel gravitent des électrons. Ce noyau est formé de 2 types de particules (ou nucléons) : les protons et les neutrons.

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Exemples :

– l’Hydrogène, élément le plus léger, a un noyau constitué d’un seul proton.

– l’Uranium 238, élément lourd, a un noyau composé de 92 protons + 146 neutrons = 238 particules.

Certains noyaux sont instables : ils se désintègrent spontanément en émettant différents types de rayonnements chargés électriquement (émission Alpha (a) ou Bêta (b)) ou non chargés électriquement (Photons (g) ou Rayons X).

Les éléments constitués d’atome dont le noyau se désintègre sont dits radioactifs : on parle alors de radioéléments ou de radionucléides.

Certains éléments dits Naturels existent dans la nature, c’est par exemple :

– Le Potassium 40 (40P) très répandu dans la nature et présent dans tout organisme vivant, est constitué d’un mélange de 99,998% de potassium stable non radioactif et 0,012% de potassium 40 radioactif.

– L’Uranium naturel que l’on extrait de certains gisement miniers, mais qui se trouve à l’état de traces dans presque tout les sols, est constitué d’un mélange de 99,3% d’uranium 238 et de 0,7% d’uranium 235, tous deux éléments radioactifs et à l’état de traces d’uranium 234.

– Le Carbone 14 (14C) produit par les rayonnements cosmiques…

Les plus nombreux sont créés artificiellement, soit en irradiant des éléments naturels avec des faisceaux de particules, soit lors de la fission de l’Uranium : on parle de produits de Fission tels que : le Césium 137 (137Cs), l’Iode 131 (131I) ou le Plutonium 239 (239Pu).

Un atome est caractérisé par son numéro atomique (Z) et de son nombre de masse (A) :

– Le numéro atomique Z correspond au nombres de protons dans le noyau (ou d’électrons orbitaires). Les atomes ayant le même numéro atomique appartiennent au même élément chimique ;

– Le nombre de masse A d’un atome correspond à la somme des nombres de protons et de neutrons dans le noyau.

Des atomes ayant le même numéro atomique (Z) mais un nombre de masse (A) différents sont dits Isotopes : ils ont les mêmes propriétés chimiques mais des masses différentes. Ainsi, l’uranium naturel (Z = 92) est constitué de trois isotopes : l’uranium 238, l’uranium 235 et l’uranium 234.

I.3.2. La nature des rayonnements

En se désintégrant, les noyaux radioactifs émettent divers types de rayonnement que l’on peut distinguer selon qu’ils sont chargés ou non électriquement.

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I.3.2.1. Les rayonnements particulaires chargés électriquement

– Les rayonnements alpha (a) sont des noyaux d’hélium constitués de 2 protons et 2 neutrons, émis lors de la désintégration d’atomes. Ils sont très ionisants du fait de leur double charge positive, mais peu pénétrant.

– Les rayonnements bêta (b) sont des électrons porteurs : soit d’une charge électrique négative (b-) (émis à partir d’un atome instable du fait d’un excès de neutrons, la transformation d’un neutron en proton donne lieu à l’émission de cet électron), soit d’une charge positive (positons ou b+) (en cas d’excès de protons, c’est la transformation inverse qui se produit et un électron positif (positon) est émis). Ils sont d’autant plus pénétrants que leur vitesse est élevée.

Ces deux types de rayonnements sont dits directement ionisants car ils arrachent des électrons à la matière dans laquelle ils se propagent. Leurs collisions avec des électrons des atomes provoquent ionisation et excitation et sont à l’origine de ruptures moléculaire et de formations de radicaux. Ils ont chacun un T.L.E (Transfert Linéique d’Energie en keV/µm dans l’eau) (1 eV = 1,6 10-19 joule) (cette notion de TLE sera reprise plus loin) dont voici un tableau récapitulatif :

 

ELECTRON

H+

He++ = a

TLE (keV/µm)

1

10

100

Parcours (tissus)

mn

(arrêté par une feuille de papier)

Centaine de µm

(arrêté par une feuille d’aluminium)

Dizaine de µm

(arrêté par une forte épaisseur de béton ou de plomb)

Nocivité

+

++

+++

    • Ils ont un parcours généralement très court: une feuille de papier suffit a arrêter les rayons alpha, les rayons bêta ont un parcours de quelques mètres dans l’air et sont arrêtés par quelques millimètres de métal (feuille d’aluminium). Ils sont donc peu dangereux en exposition externe ; par contre, le fort pouvoir ionisant des rayonnements a les rend très nocif en exposition interne.

      Pour mémoire, dans les tissus mous : un électron de 1 MeV pénètre de 4 mn, un a++ de 5 MeV pénètre de 40µm

      I.3.2.2. Les rayonnements non chargés électriquement

      – Les rayonnements corpusculaires (ou particulaires) correspondent a des neutrons, émis lors de la fusion de noyaux d’uranium ou au cours de bombardements nucléaires par un rayonnement alpha. Ils sont très pénétrants s’ils sont rapides (ils ne sont pas chargés électriquement et ne sont donc freinés que par choc direct (collision) contre les noyaux (hydrogène surtout) ou les électrons de la matière traversée). S’ils sont lents, ils peuvent être capturés par les noyaux avec émission d’un photon gamma (réaction thermalisées).

      – Les rayonnements électromagnétiques : rayons X et gamma (g) : s’ils sont de nature et de propriétés analogues (il s’agit de photons), leur différence réside dans leur origine. Les rayonnements gamma sont émis au cours de désintégrations radioactives et ont donc une origine nucléaire (émis lors d’un retour à l’état stable d’un noyau excité possédant un trop plein d’énergie), alors que les rayons X sont émis lors d’interactions avec des électrons (émis par exemple par le bombardement d’une cible métallique par des électrons fortement accélérés).

      Ce sont des rayonnements indirectement ionisants car il agissent par l’intermédiaire des particules chargées qu’ils mettent en mouvement lors d’interactions avec la matière.

      Les photons ont des intéractions rares et aléatoires avec les électrons des atomes. Ils sont caractérisables par leurs rayonnement d’onde ou par leur fréquence (Maxell) ou par la théorie des quantiques (particules sans masse se déplaçant à la vitesse de la lumière sans charge électrique). Leur énergie est inversement proportionnelle à leur longueur d’onde ; ils sont fortement pénétrants, mais les rayons gamma ont un pouvoir de pénétration plus important que celui des rayons X du fait d’une longueur d’onde habituellement plus courte.

      Ils ont 3 actions lorsqu’il existe un parcours dans un tissu et qu’il y a une interaction avec les électrons des atomes :

      – l’effet photoélectrique : éjection d’un électron situé près du noyaux = perte de l’énergie par arrachage de l’électron et transfert d’énergie au départ de l’électron = faisceau d’énergie faible de rayonnement X utilisé en radiographie et radiodiagnostic.

      – l’effet Compton : éjection d’un électron périphérique de faible énergie = qui garde son énergie pour créer un électron = énergie diffusée.

      – matérialisation d’énergie : formation d’une paire d’électron + et – = photons de très forte énergie dans un champ électrique.

      Ils peuvent traverser des épaisseurs importantes et sont donc très dangereux en exposition externe. Pour les arrêter, on dispose d’écrans protecteurs, tels que d’importantes épaisseurs de béton, d’acier ou de plomb pour les rayons X ou g et d’écrans en paraffine pour les neutrons. L’émission de rayonnements s’accompagne d’une certaine quantité d’énergie ; c’est en transférant une partie de cette énergie qu’ils agissent sur l’organisme.

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      I.3.2.1. Récapitulatif des rayonnements

       

      RAYONNEMENT

      IRRADIATIONS

      TRAJET

      MOLECULES

      PROTECTIONS

      DETECTION / MESURE

      Alpha : a

    • noyau He (particule lourde)
    • rayonnement particulaire
    • charge + (2e)
    • masse :4 Uma
    • TEL : nbreuses ionisations
    • inoffensif en ext.
    • dégâts localisés mais graves si pénètre
    • Rectiligne très court (air)
    • très faible pénétration (3 cm air, 2,7 µ eau)
    • Derniers élts tableau Mendeliev :Pu, Np, Po, U, Th, Ra, Am, Cf
    • Simple feuille de papier
    • Spectre de raies monoénergétiques caractéristiques d’1 noyau
    • Radiochimie complexe, séparation chimique est nécessaire car même si particule bien précise, il y a gde absorption
    • a + gaz (semi-conducteur) ® ionisation gaz ® spectre
    • Scintillateur avec sulfure de zinc, compteur proportionnel fenêtre mince, compteur GM fenêtre simple (détecte b mais ne distingue pas)

Bêta : b

    • é obtenus par désintégration de nyx radioactifs (? é par effet thermoélectronique : trajet aléatoire, – profond)
    • charge –
    • b – : excès de neutrons émission d’1 é
    • b + : excès de protons : émissions d’1 positons (rare) ® rayonnement particulaire
    • irradiation ext.
    • exp seult sur distance R (parcours é dans la matière)
    • Nbreuses ionisations sur petit trajet
    • non linéaire court (qq m air)
    • faible pénétration
    • 60Co, 32P, 90Sr (b mou : fils = Yttrium à mesurer après 15j d’équilibre), 14C et 3H (b mou groupés Æ séparation), 131I, 137Cs
    • b purs : 14C, 3H, 45Ca, 32P, 35S, 90Sr, (81Tl)
    • b, g : 137Cs, 60Co, 59Fe, 131I, 192Ir, 40K
    • écran matériel (feuille aluminium de qq mn)
    • E des b pas Idem pour un même radioélt mais spectre caractéristique d’1 radioélt
    • E polyénergétique (b, autre particule)
    • Spectre continu (séparation chimique est nécessaire pour faire comptage de chaque radioélt : sinon comptage global de ? radioélt)
    • compteur Geiger Müller (GM), fenêtre mince, scintillateur avec plastique, autres
    • Spectre de raies caractéristique du radiolét (pas de radiochimie, mesure directe des g sur échantillon) a et b : énergie émise caractéristique de l’isotope émetteur (E cinétique de la particule)
  • a et b ne peuvent pas être émis simultanément par un noyau
    b – et b + ne peuvent pas être émis simultanément par un noyau
    (a, g) et (b+, g) et (b-, g) possible

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