Structure de la matière
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Séquence A1: Les radioéléments Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques A la fin de la séquence, les stagiaires seront capables, individuellement, de définir le phénomène de la radioactivité, les différents rayonnements ionisants, ainsi que les risques. QCM de dix questions, deux erreurs tolérées. Conclusion Version actualisée le 12/08/10 Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Evaluation diagnostique Conclusion Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Cette séquence est dédiée aux rappels sur le RAD1 Nous aborderons en premier des rappels théoriques sur les radioéléments, puis des rappels sur les risques et les différentes formes sous lesquelles se présentent les matières radioactives. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques 1- Structure de la matière 2- La radioactivité 3- Les rayonnements corpusculaires 4- Les rayonnements électromagnétiques 5- Caractéristiques des rayonnements Conclusion Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Structure de la matière Chaque chose, chaque objet qui nous entoure est composé de matière sous différentes formes (solide, gaz, liquide) La plus petite partie d’un corps pur (corps qui conserve ses propriétés) est la molécule Les molécules sont composés d'atomes, éléments infiniment petits. Exemple : dans une goutte d'eau d'un centième de gramme, il y a environ 90 000 milliards d'atomes, soit 30 000 d'Oxygène et 60 000 d'Hydrogène. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Structure de la matière Protons + Noyau Neutrons + Atome Electrons + Molécule Atome + Molécule Matière Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Structure de la matière Un atome est constitué de 2 parties distinctes : - son noyau, - des électrons (e-) qui gravitent autour du noyau. Q Électron O M Noyau K L Orbite N P Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Structure de la matière Ces électrons qui gravitent autour du noyau constituent le cortège électronique. Les chimistes s’intéressent à la répartition des électrons sur les couches les plus éloignées du noyau. C’est en effet les couches externes qui déterminent les propriétés chimiques des différents éléments. La radioactivité elle, est une propriété liée au noyau. Électron: Particule chargée négativement, -1.9x10-19 Coulomb, qui se déplace à grande vitesse autour du noyau, sur des couches électroniques. Sa masse est de 9x10-31 kg. Il est désigné par e-. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Structure de la matière Le noyau est composé de protons et de neutrons. Proton: particule chargée positivement, 1.9x10-19 Coulomb, que l’on désigne par e+ et dont la masse équivaut à deux mille fois celle de l’électron. Neutron: particule neutre sur le plan électrique, dont la masse est légèrement supérieure à celle du proton. Les protons et les neutrons sont aussi appelés nucléons Introduction Rappels théoriques Structure de la matière Le nombre de masses A d’un atome, représente le nombre total de particules constituant le noyau. C’est la somme de tous les protons et neutrons. Liste des éléments On appelle nombre de charges Z d’un atome, le nombre de protons contenu dans le noyau. Rappels sur les risques Conclusion Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Structure de la matière Les éléments (atome) sont classés par nombre atomique dans le tableau de Mendeleïv dans un ordre croissant : * horizontalement : par nombre atomique, * verticalement : suivant la disposition des électrons. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Structure de la matière Tous les atomes ayant le même nombre de protons appartiennent au même élément chimique. Il existe plus de 110 éléments chimiques. Ils ont le même nom et le même symbole. Ce sont des isotopes : - même propriétés chimiques, - propriétés physiques différentes. Certains sont stables, d’autres sont radioactifs. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion La radioactivité Définition de la radioactivité : "Certaines matières, dîtes radioactives, sont énergétiquement instables. Elles évoluent spontanément vers un état de plus grande stabilité en éjectant de l'énergie sous la forme d'un rayonnement “ C'est en 1896 qu’Henri Becquerel a découvert la radioactivité. Seules certaines matières sont radioactives La nature a horreur de l’instabilité Les matières instables (noyau) vont chercher la stabilité Sans aide extérieure Le trop plein d’énergie est evacué vers l’extérieur Introduction Rappels théoriques La radioactivité Sur ce schéma, nous pouvons voir les nucléides stables (en noir) et les nucléides instables avec leur principal mode de désintégration. On peut aussi voir que très peu de nucléides ont un rapport équivalent entre leur nombre de protons (N) et de neutrons (Z). Rappels sur les risques Conclusion Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion La radioactivité Un atome est stable si sa structure ne varie pas au cours du temps. La composition en nucléons d’un noyau stable confère à ce dernier, équilibre et solidité. Deux règles sont indispensables pour obtenir cette stabilité: - les noyaux légers (Z <= 30) ont autant de protons que de neutrons, - les noyaux lourds ont un peu plus de neutrons que de protons. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion La radioactivité L’instabilité dépend d’un type de déséquilibre: - trop de protons et de neutrons, - trop de protons, - trop de neutrons. A chaque type de déséquilibre, correspond un type de désintégration. Désintégration : changement d’élément chimique (noyau « père » donne un noyau « fils » chimiquement différent) – rayonnement corpusculaire. Désexcitation : pas de changement de nature du noyau – rayonnement électromagnétique. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion La radioactivité L'activité (A) est le nombre de désintégrations spontanées par unité de temps, produites au sein d'une source radioactive. Elle se mesure en Becquerel (Bq). 1 Bq = 1 désintégration / seconde (unité légale) On utilise plus souvent les multiples : kiloBq = kBq= 103, MégaBq = MBq = 106, GigaBq = GBq = 109, TéraBq = TBq = 1012. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion La radioactivité Tableau de conversions Facteur par lequel est multiplié l’unité Préfixe a mettre avant l’unité Symbole 1012 1000 000 000 000 Téra T 109 1000 000 000 Giga G 106 1000 000 Méga M 103 1000 Kilo k 10-3 O,001 Milli m 10-6 0,000 001 Micro µ 10-9 0,000 000 001 Nano η 10-12 0,000 000 000 001 Pico p Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion La radioactivité Les différences de masse d'éléments radioactifs pour une activité égale de 37GBq peuvent être énormes : 37 Gbq = 1 Ci pour 3 tonnes 238U, pour 1g de 226Ra, pour 0,9 mg de 60Co, pour 4,3 micro grammes 198Au. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion La radioactivité Dose absorbée Equivalent de dose absorbée Débit de dose (DdD) Débit d’équivalent de dose Actvité (A) Définition C’est la quantité d’énergie cédée à la matière par unité de masse C’est la mesure des dégâts causés sur les tissus vivants. En fonction des rayonnements, les effets biologiques diffèrent. C’est pourquoi on applique, à chaque type de rayonnement, un facteur de pondération (WR) qui, multiplié par la dose absorbée donne l’équivalent de dose. C’est la quantité d’énergie cédée à la matière par unité de temps C’est l’équivalent de dose par unité de temps. C’est le nombre de désintégrations spontanées par unité de temps, produites au sein d'une source radioactive. Unité Gray (Gy) 1 Gy correspond à la dose due à une énergie de 1 joule cédée à 1 kg de matière Sievert (Sv) Gray par heure Sievert par heure Gy/h Sv/h Becquerel (Bq) = 1 désintégration par unité de temps 1 Gy = 100 Rad 1Sv=100 Rem 1Gy/h = 100 rad/h 1Sv/h = 100 rem/h Ancienne Unité 1 Ci = 37.109Bq Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion La radioactivité Selon la nature du rayonnement reçu, les effets biologiques diffèrent. C’est pourquoi on applique, à chaque type de rayonnement, un facteur de pondération (WR) qui, multiplié par la dose absorbée donne l’équivalent de dose. Noté ED, il permet de traduire les effets biologiques sur l’homme. Il répond à la formule: ED = D x WR L’équivalent de dose est exprimé en Sv, unité légale. Irradiations WR X,, 1 Neutrons < 10 keV 3 10 keVNeutrons100keV 8 Neutrons > 100keV 10 20 Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques La radioactivité Au fur et à mesure que ses noyaux se désintègrent, l’activité (A) d’une source diminue. Il y a décroissance radioactive. Le temps au bout duquel l’activité a décru de MOITIE, s’appelle la période radioactive (T). T = A/2. La période varie suivant le radio-élément : • 14 milliards d’années pour le 232Th • 1620 ans pour le 226Ra • 5,2 ans pour le 60Co • 6 heures pour le 99Tc • 2,04 minutes pour L’ 15O Conclusion Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques La radioactivité L’activité A = Ao / 2n A = activité résiduelle, Ao = Activité initiale n = nombre de périodes écoulées De façon approchée on retient que : pour 7 périodes => A = Ao / 100 pour 10 périodes => A = Ao / 1000 Conclusion Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion La radioactivité La période biologique (Tb) est indépendante de la période radioactive (T). Elle représente le temps au bout duquel la moitié de la substance, qui a pénétré dans l'organisme, est rejetée à l'extérieur par les urines, les selles, la sueur. Cette période biologique (Tb) peut être courte ou longue, proche ou éloignée de la période radioactive (T). Exemple : Césium 137 T : 30 ans Tb : de 50 à 150 jours Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Les rayonnements corpusculaires Ce sont des particules de matière émises par le noyau Rayonnements Il concerne les radioéléments lourds qui ont un excès de nucléons (protons et neutrons). Le noyau éjecte alors 2 protons et 2 neutrons assemblés en un noyau d’hélium. A X Z A-4 Y Z-2 4 He 2 α Exemple : 210 Po 84 206 4 Pb 82 He 2 α Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Les rayonnements corpusculaires Rayonnements Il concerne les noyaux qui ont un excès de neutrons par rapport aux protons. - Un des neutrons se transforme en un proton. - Un électron est créé, et aussitôt éjecté du noyau. Le total des masses est conservé et le total des charges électriques est nul. A A Y Z+1 X Z 32 -1 0 S P 15 e - Exemple : 32 0 16 e -1 - Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Les rayonnements corpusculaires Rayonnements + Inversement, un proton du noyau peut se transformer en neutron, avec la naissance d’un electron positif, appelé positon. Ejecté du noyau, il va être rapidement attiré par un électron négatif. Les deux particules s’annihilent, et donnent naissance à un rayonnement gamma. La particule β+ existe, mais son rayonnement, somme de toutes les particules, ne peut être détecté par des appareils simples de par sa brièveté. Noyau initial Noyau avec un proton en moins et un neutron en plus. Positon Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Les rayonnements corpusculaires Rayonnements n Très peu d’atomes émettent spontanément des neutrons. Le rayonnement neutronique est surtout présent dans le cœur des centrales nucléaires, lors de la fission nucléaire (interaction d’un neutron sur un noyau fissile). Le noyau va se casser en 2 parties (produits de fission) et 1 ou plusieurs neutrons sont émis lors de cette fission. On distingue selon l'énergie cinétique, les neutrons : thermiques (0,025 Kev), lents (< 1 Kev), intermédiaires (1 Kev à 0,5 Mev), rapides (15 Mev). Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Les rayonnements électromagnétiques Ce sont des ondes électromagnétiques. Comme la lumière, elles se déplacent à une vitesse de 300000 Km/s. Rayonnements γ Après transformation ou , le noyau résultant est le plus souvent dans un état dit excité. L'excès d'énergie du noyau est éjectée de l'atome sous forme de photons, sans masse et de nature électromagnétique. En grand nombre, ils forment le rayonnement gamma. Il s'agit d'une désexcitation. Le rayonnement gamma est donc une conséquence d’une désintégration alpha ou bêta. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Les rayonnements électromagnétiques Rayonnements X Ce sont des ondes électromagnétiques dont l’origine diffère des rayonnements précédents. Elles résultent soit d’un ralentissement d’électrons, soit d’un réarrangement du cortège électronique. Il peut également être produit artificiellement par un générateur X. L’énergie ainsi développée est compensée par l’émission de photons X. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Caractéristiques Les rayonnements sont inodores, incolores et impalpables. Le seul moyen de les repérer est d'utiliser un appareil de détection Type Ionisation Parcours air Parcours eau Ecran adapté α +++ Quelques centimètres Quelques micromètres Peau, tissus, papier β ++ Quelques mètres Quelques millimètres Plastique, verre, aluminium γΧ + Quelques centaines de mètres Quelques mètres Plomb, béton, acier, eau η ++ Quelques centaines de mètres Quelques mètres Eau borée Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Caractéristiques Définition : L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - perdant ou gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors appelé ion. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Caractéristiques L’état stable : Il correspond à la répartition normale des électrons sur les différentes couches électroniques d’un élément considéré. Conclusion Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Caractéristiques L’état excité : Si l’énergie transmise à cet électron est peu importante, ce dernier saute sur une couche électronique extérieure dont l’énergie de liaison est plus faible. L’atome est alors excité. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Caractéristiques L’état ionisé : e- éjecté eéjecté Si cette énergie cédée est importante, l’électron est arraché de l’attraction du noyau. L’atome est alors ionisé, devient positif et forme avec l’électron une paire d’ions. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques I : Source scellée II : Source non scellée III : Irradiation IV : Contamination Conclusion Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Source scellée Les sources scellées sont constituées par des substances radioactives incorporées : - dans des matières inactives à base d'alliages, - dans des enveloppes présentant une résistance suffisante. Le contenant doit éviter dans des conditions normales d'emploi toute dispersion. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Source non scellée On parle généralement de source non scellée si sa présentation physique dans des conditions normales d'emploi ne permet pas de prévenir toute dispersion de la substance radioactive. Source liquide Uranium Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Irradiation Irradiation (ou Exposition) : c’est l’exposition d’une personne ou d’un organe à des rayonnements. Elle cesse si on s’éloigne suffisamment ou si on se protège de la source. Lorsqu’elle a cessé, les dommages subis par la personne ne croient plus et elle n’est pas radioactive Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Irradiation Irradiation externe : Exposition résultant de sources situées en dehors de l'organisme. Si la source est à distance de l'organisme, elle entraîne une irradiation. Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conclusion Contamination Contamination : c’est la présence indésirable de substances radioactives sous formes diverses en contact avec l’organisme humain. On distingue contamination interne et contamination externe. La contamination interne donne lieu à une irradiation interne importante. Voies de pénétration : voies respiratoires Dans le système circulatoire par plaie voies digestives Introduction Rappels théoriques Rappels sur les risques Conception : - Sgt PETIT Guillaume - Sgt CARIOU Mael Validation :- Lt/Col CLERC Stéphane - Cne PACHE Pascal - Cne LUNEL Frédéric - Maj MEUNIER Bruno Année : 2011 Conclusion Contact : pour toute remarque concernant ce document, merci d’envoyer un mail sur l’adresse suivante : [email protected]
