Rayonnements et particules.

Stage de Pré-Rentrée 2011
Rayonnement et particules
Séance préparée par Arnaud CIPPOLINA-MUYL (TSN)
Plan général :
• L’atome dans le modèle standard
– Particules et interactions,
– Modèles atomiques
• Les rayonnements ionisants
– Production de rayonnements X
– Les désintégrations radioactives α, β, γ et leurs lois
• Interactions rayonnements / matière
– Rayonnements particulaires (α, électrons, protons,
neutrons)
– Rayonnements électromagnétiques ionisants (photons)
• Dosimétrie
– Unités, dosimétrie externe, dosimétrie interne
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L’atome dans le modèle standard
• Particules et interactions :
Définition : Le modèle standard de la physique des
particules est une théorie qui décrit les
interactions forte, faible et électromagnétique,
produites
par
l'ensemble
des
particules
élémentaires qui constituent la matière.
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L’atome dans le modèle standard
– Les particules :Les particules élémentaires du modèle
standard sont au nombre de 24 :
• 12 bosons qui sont les particules de "rayonnement" et qui sont
les vecteurs des différentes interactions :
– Ex: le photon qui transmet l‘interaction électromagnétique.
• 12 fermions qui sont les particules de "matière", séparées en
deux catégories :
– 6 quarks (chargés) qui forment des particules composites : les hadrons
– 6 leptons.
A chaque particule est associée une antiparticule.
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L’atome dans le modèle standard
– Les interactions :
Interaction
BOSON
CIBLE
PORTEE
PUISSANCE
RELATIVE
APPROX
FORTE
8 GLUONS
HADRONS
1 fm
1
ELECTROMAG
NETIQUE
PHOTON
CHARGEES
∞
10-3
FAIBLE
Z°, W +, W-
TOUTES
10-3
10-5
GRAVITATION
GRAVITON
?
MASSIQUES
∞
10-38
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L’atome dans le modèle standard
– Unités en physique atomique :
• Energie : électron-volt (eV)
– 1 eV = énergie cinétique acquise par un électron accéléré dans le vide
sous une ddp de 1 volt
– 1 eV = e.V = 1,6 10-19J
• Masse :
– Unité de masse atomique = u
– 1 u = un douzième de la masse d’un atome de carbone 12 :
– Au repos: E = m.c² ⇒ m = E/c² en MeV ou MeV/c²
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L’atome dans le modèle standard
• Modèles atomiques :
1)Modèle de Thomson : Une masse chargée positivement comprenant
des particules négatives (électrons). La résultante est neutre.
2)Découverte de la radioactivité α par H. Becquerel.
3)Modèle de Rutherford: découvert par la conséquence du
bombardement de particules α sur une feuille d’or. Certaines particules
traversent en étant plus ou moins déviées.
Le modèle de Thomson n’est donc plus valide (présence de vide).
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L’atome dans le modèle standard
– Modèle de Rutheford :
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L’atome dans le modèle standard
• Notion de défaut de masse :
• Limites du modèle de rutheford :
Electrons en orbite:
- mouvement accéléré (circulaire, de période T)
- donc apparition d’une onde électromagnétique f=1/T.
- donc perd de l’énergie et T diminue ⇒ f augmente
L’électron devrait s’écraser sur le noyau car la matière ne serait pas
stable et émettre des fréquences continûment variables…
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L’atome dans le modèle standard
– Modèle atomique de Bohr :
• Modèle planétaire : les électrons sont sur des orbites
• Dualité onde-corpuscule: une onde stationnaire leur est
associée.
• Atome hydrogénoïde: Ee- = Ec + Ep = -13,6(Z²/n²) en eV
(où n est le niveau de l’orbitale)
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L’atome dans le modèle standard
• Atomes polyélectronique: E= -13,6[(Z-σ)²/n²] en eV où σ
représente la constante d’écran. (les électrons périphériques ne
« voient » pas la même charge du noyau à cause des électrons plus
centraux).
• Limites du modèle de Bohr :
– Liées aux inégalités d’Heisenberg
(pas de trajectoire,
seulement une probabilité de présence).
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L’atome dans le modèle standard
QCM n°1
Généralités sur la matière.
a) L’interaction forte concerne toutes les particules élémentaires.
b) L’interaction gravitationnelle est la plus intense car explique la
rotation de la Terre autour du Soleil.
c) La masse d'un atome est majoritairement située dans son nuage
électronique.
d) Deux isotopes ont même nombre de protons et d’électrons, donc
mêmes caractéristiques en termes de radioactivité.
e) Les interactions fortes et électromagnétiques expliquent la
cohésion de la matière.
f) Toutes les propositions précédentes sont fausses.
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L’atome dans le modèle standard
QCM n°2
Dans un noyau, l’énergie de liaison entre les nucléons :
a) permet la cohésion du noyau.
b) est maximale pour environ 60 nucléons.
c) explique pourquoi la masse du noyau est supérieure à
la somme des masses de ses nucléons.
d) est l’expression des interactions électromagnétiques.
e) permet la production de chaleur lors de réactions
nucléaires.
f) Toutes les propositions précédentes sont fausses.
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Les rayonnements ionisants
• Définition : Ils sont capables d’ioniser un électron de la
couche K de l’hydrogène donc énergie supérieure ou
égale à 13,6 eV.
• Exemples de rayonnements ionisants = UV, rayons X,
cosmiques.
• Ils brisent les liaisons covalentes et forment des
radicaux libres = délétères pour la vie.
• Utiles en médecine : imagerie, radio-thérapie...
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Les rayonnements ionisants
• Production de Rayons X :
– Dé-excitation d’électrons atomiques
• Fluorescence :
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Les rayonnements ionisants
• Effet Auger :
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Les rayonnements ionisants
• Conversion interne :
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Les rayonnements ionisants
– Freinage d’électrons :
• Les particule chargées sont décélérées par des interactions
électrostatiques avec les nuages électroniques de la cible:
émission d’un REM.
• L’Ec(e-) peut être: - Partiellement ou intégralement fournie
à un unique photon (Eφ=Ec).
- Fournie partiellement ou intégralement
à plusieurs photons.
- Perdue en partie sous forme de chaleur
(lorsque l’énergie est partiellement transmise).
→ spectre continu de rayonnement.
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Les rayonnements ionisants
– Du fait des ionisations dans le matériau, on retrouve
des photons X de fluorescence (caractéristiques du
matériau) donnant des raies sur le spectre continu.
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Les rayonnements ionisants
• Désintégrations radioactives :
– Définition: La radioactivité est un phénomène
physique au cours duquel des noyaux atomiques
instables (pères) se désintègrent pour donner, d’une
part des noyaux atomiques plus stables (fils), et
d’autre part de l’énergie sous forme de rayonnement.
– Noyau instable si : Z≠N=A-Z ou Z ≥ 84
– À condition :
• D’un bilan énergétique positif : Ed≥0.
• De la conservation de la charge, de l’énergie cinétique.
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Les rayonnements ionisants
– 50 isotopes radioactifs naturels, tous les isotopes
artificiels sont radioactifs.
• Classement par interaction impliquée :
– Interaction forte : radioactivité alpha (a)
– Interaction faible :
• radioactivité bêta (b)
• capture électronique
– Interaction EM :
• radioactivité gamma (g)
• conversion interne
• création de paires
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Les rayonnements ionisants
• Radioactivité α :
– Il s’agit de l’émission d’un noyau d’He par un noyau père :
– Energie disponible (Ed) :
Ed = [MX-(MY+Mα)].c² = [MX-(My+Mα)].c²
(M=M +z me)
– L’Ed se répartit entre l’atome fils Y et la particule α.
– Le spectre d’émission (de la particule α) est un spectre d’une
seule raie (1 énergie possible).
– Réaction possible que si noyau père lourd (A > 150).
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Les rayonnements ionisants
• Radioactivité β- :
– Il s’agit de l’émission d’un électron :
–
soit Ed=(MX-MY).c²
– L’Ed se répartit entre l’électron et l’anti-neutrino
de manière aléatoire et continue. Le spectre
d’émission (de l’électron) est donc un spectre
continu (plusieurs énergies possibles).
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Les rayonnements ionisants
• Radioactivité β+ :
– Il s’agit de l’émission d’un positron et d’un neutrino par un noyau riche
en protons :
–
soit Ed=(MX-MY-2me).c²
– L’Ed se répartit entre le positon et le neutrino de manière aléatoire et
continue. Le spectre d’émission (du positon) est donc un spectre
continu.
– Réaction possible si (Mx-My).c² > 1.022 Mev
– Le positon émis perd progressivement son énergie par freinage. Il
s’annihile alors avec un électron du milieu donnant 2 photons γ de 511
KeV à 180° l’un de l’autre, le spectre photonique est donc composé
d’un spectre d’une seule raie.
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Les rayonnements ionisants
• Capture électronique :
– Il s’agit de la capture d’un électron du nuage électronique par le noyau
selon :
–
soit Ed=(MX-MY).c²-
E
i
k
– Réaction en concurrence avec la désintégration β+ si celle-ci est possible.
– Après capture l’atome revient à son état fondamental en émettant un RX
ou par émission d’un électron Auger, le spectre photonique est donc un
spectre de raies.
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Les rayonnements ionisants
• Désintégration γ :
– Un radionucléide excité parvient à un état plus
stable :
–
– L’Ed est transférée au photon γ. Le spectre
d’émission (concernant le photon) est donc un
spectre de raie(s).
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Les rayonnements ionisants
• Conversion interne :
– Lors du retour du noyau métastable (excité) vers un état stable,
le transfert d’énergie se fait directement vers un électron qui est
alors ionisé.
– Cette réaction est en concurrence avec la désintégration γ.
• Création de paires :
– Lors du retour du noyau métastable vers un état stable, si
l’énergie disponible est supérieure à 1.022 MeV, il se peut (mais
très rare) que soit créée une paire électron-positron.
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Les rayonnements ionisants
• Loi de décroissance radioactive :
– Le nombre de noyaux non encore désintégrés à l’instant t est donné
selon :
avec : N0 = nombre de noyau de l’échantillon à t=0
λ = probabilité de désintégration
• Période radioactive et vie moyenne :
– La période radioactive T correspond au temps nécessaire pour
observer la désintégration de la moitié des noyaux de l’échantillon (tps
de demi-vie). On a :
– La durée de vie moyenne τ est :
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Les rayonnements ionisants
• Activité:
– L’activité est le nombre de désintégrations du
source par seconde :
– Unité S.I : B ecquerel (B q) = 1 désintégration /s
– Unité hors S.I : Curie (Ci) = 37.109 B q
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Les rayonnements ionisants
QCM n°3
Un REM est produit :
a) Après une capture électronique.
b) Lors d’interaction des neutrons thermiques avec
la matière.
c) Après une conversion interne.
d) Après une désintégration de type β+ dans la
matière.
e) Après une création de paires.
f) Toutes les propositions précédentes sont fausses.
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Les rayonnements ionisants
QCM n°4
Lors de la désintégration du calcium Ca (A=45 et Z=20) de masse
atomique = 44,956189 uma en scandium Sc (A=45 et Z=21) de
masse atomique =44,955913 uma, l’énergie maximale que peut
emporter l’une de deux particules émise est d’environ :
A-0,256keV
B -0.513keV
C-0. 719keV
D-0.256MeV
E-0.513MeV
F-Toutes les propositions précédentes sont fausses.
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Interactions rayonnements / matière
• Rayonnements électromagnétiques ionisants (photons) :
• Généralités :
– Le photon: pas de charge électrique, donc l’interaction
photon/matière) est un phénomène aléatoire.
– Pour un photon, on définit le coefficient linéique
d’atténuation μ comme la probabilité d’interaction avec la
matière par unité de longueur traversée
– On définit l’atténuation d’un faisceau de photons par le
nombre de photons du faisceau ayant interagit avec la
matière :
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Interactions rayonnements / matière
– Couche de Demi-atténuation :
C’est l’épaisseur moyenne
nécessaire à l’atténuation de la moitié des photons du faisceau incident :
– Absorption :
• Création de paires :
– Matérialisation d’un photon en une paire particule/antiparticule
de nature électronique (électron et positon)
– Nécessite des photons d’énergie supérieure à l’énergie de masse
du positon et de l’électron.
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Interactions rayonnements / matière
• EFFET PHOTO-ELECTRIQUE :
– ionisation avec absorption de toute l’énergie du photon incident :
– Prépondérant dans les tissus biologiques entre 10 et 50 Kev et dans le plomb
à moins de 500 KeV.
– Responsable du contraste en radiologie !
– Diffusions :
• DIFFUSION ELASTIQUE THOMSON :
– Changement de direction d’un photon sans échange d’énergie entre le
photon et la matière.
– Important seulement si Ej< 45 keV, donc principalement en mammographie
– Application: flou en mammographie.
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Interactions rayonnements / matière
• DIFFUSION INELASTIQUE COMPTON :
– Changement de direction d’un photon avec transfert
partiel de son énergie à un électron qui est ionisé.
– La diffusion Compton prédomine dans les tissus
biologiques aux énergies supérieures à 50 KeV
– Applications : flous en radiologie et scintigraphie.
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Interactions rayonnements / matière
• Synthèse sur la prédominance des principaux effets :
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Interactions rayonnements / matière
• Rayonnements particulaires (α, électrons, protons,
neutrons) :
– On distingue :
• les particules chargées lourdes (trajet en ligne droite) et
légères (trajet en « ligne brisée ») qui interagissent avec les
électrons de la cible par interaction électrostatique.
• Les particules neutres qui interagissent de façon aléatoire
avec les noyaux de la cible.
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Dosimétrie
• Les RX ionisants peuvent briser des liaisons covalentes et
donc produire des radicaux libres et dénaturer des
molécules : il faut quantifier ce risque.
• La dose absorbée est l’énergie moyenne cédée / unité de
masse. (en Gray = Gy = J/Kg)
• Effets déterministes (précoces) si > 250 mGy
• Débit de dose :
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Dosimétrie
• En dessous du seuil des effets déterministes, une
réparation fautive non létale d’un ADN peut à
long terme entraîner un cancer ou une mutation
(effets stochastiques ou aléatoires à long terme).
• La dose absorbée seule est inadaptée pour
décrire les effets tardifs des rayonnements
ionisants qui dépendent, en plus :
– Du type de rayonnement ionisant.
– Du type de tissu irradié (jeune, peu différencié,
renouvellement rapide).
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Dosimétrie
• Dose équivalente H (en sievert) :
– Dose absorbée qui prend en compte le type de
rayonnement.
– La dose absorbée est pondérée par le coefficient
d’efficacité biologique relative du rayonnement: Wr
– Pour le photon Wr=1 Sv/Gy.
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Dosimétrie
• Dose efficace E (en sievert) :
- Dose absorbée qui dépend du type de rayonnement et
du type de tissu.
- C’est un concept visant à ramener une exposition
partielle à une exposition totale (corps entier).
- C’est la dose équivalente pondérée par le coefficient de
sensibilité tissulaire Wt.
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Dosimétrie
• Le problème est donc de mesurer ou d’estimer
une dose absorbée (la dose efficace en
découle, connaissant les organes irradiés)
• Deux possibilités :
– Irradiation interne (ex: ingestion)
– Irradiation externe (ex: contamination cutanée)
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Dosimétrie
Irradiation externe :
– L’exposition X = charge électrique produite par un
faisceau de photons / kg d’air, en Cb/kg
– Intérêt : paramètre mesurable au moyen d’une
chambre à ionisations
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