Conséquences d`une irradiation sur une cellule

Conséquences d’une irradiation sur une cellule
La première radiographie…pour la première
fois, on peut voir les os à l’intérieur du corps
W. Roentgen
Et tout cela en travaillant avec des tubes cathodiques….
Découverte de la radioactivité
naturelle par H.Becquerel
Émission par un sel d’Uranium de rayonnements
capable d’impressionner une plaque photo
Découverte d’un phénomène majeur de la nature
Découverte par P.et M.Curie de deux
éléments radioactifs: Po et Ra
En 1898 , Pierre et Marie Curie annoncent
la découverte de deux éléments :
le polonium (nom rapellant son pays : la Pologne)
et le radium.
Elle reçut le prix Nobel de physique en 1903,
avec son mari et H.Becquerel ainsi que
e prix Nobel de Chimie pour son travail
sur le radium et ses composés en 1911.
Les premières lésions
Première expérience radiobiologique (involontaire)
en 1900 par Becquerel : production d ’un érythème cutané 15 jours après
exposition au radium.
Répétition (volontaire) de la même expérience par Pierre Curie en 1901.
Ces 2 expériences marquent le début de la radiobiologie
Un peu d’histoire…
• 1895 découverte des RX par Roentgen
• 1896 découverte de la radioactivité par Becquerel dans un minerai
d’uranium
• 1898 Extraction du Po et Ra du minerai d’uranium (P. et M.Curie)
Prudence!
•  1920 conscientisation du danger d’une exposition et esquisse
d’une réglementation
• 1932 découverte de la radioactivité artificielle par I. et F. Joliot-Curie
• 1942 mise en marche de la pile atomique par Fermi
• 1945 Bombe atomique sur Hiroshima et Nagasaki
Le Nucléaire fait peur  Instauration d’un climat de confiance
 Protection efficace  Limiter la probabilité d’un accident et si cela arrive..
 rapidité et efficacité des secours
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
Tout système instable tend vers la stabilité
La transformation du noyau entraine l’émission d’un rayonnement
Décroissance radioactive
1. Rayonnement 
Quelques cm dans l’air (quelques MeV)

Parcours rectiligne
241Am
 237Np + 
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
2. Rayonnement  (e-, e+)
Energie: quelques keV à x MeV
Parcours sinueux, quelques m dans l’air
(qq mm dans les tissus vivants)
32P
 32S + e-
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
Tout système instable tend vers la stabilité
La transformation du noyau entraine l’émission d’un rayonnement
Décroissance radioactive
1. Rayonnement 
2. Rayonnement  (e-, e+)
Rayonnement ionisant
Energie: qq MeV
Parcours rectiligne, qq cm dans l’air,
qq dizaines de µ dans les tissus vivants
Energie: qq keV à qq MeV
Parcours sineux, qq m dans l’air
qq mm dans les tissus vivants
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
4. neutrons
Suivant leur énergie, neutrons thermiques
(0,025 eV), lents (< 1 keV), intermédiaires,
Rapides (15 MeV)
Les neutrons agissent par chocs
Capturé par les noyaux
Noyau excité
Désexcitation par émission , , 
Parcours:
- Neutron thermique (quelques dizaines de m)
- Neutron rapide (quelques centaines de m)
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
3. Rayonnement électromagnétique ( et RX) se différenciant en fonction de leur origine
Rayt : changement dans les niveaux d’E du noyau
(quantifié)
Rayt de freinage: ralentissement des e- dans la
matière
Rayt X: changement dans les niveaux d’E des ede l’atome
Rayonnement 
Désexcitation du noyau après émission 
ou 
Propagation en ligne droite,
Très pénétrant (peu d’interaction)
quelques centaines de m (E = 1 Mev)
60Co
 60Ni +  + 
(E = 1,17 et 1,33 MeV)
Pour arrêter un  de E = 1MeV (ex: 60Co): 200 à 300 m d’air……
LES RAYONNEMENTS IONISANTS: , , , X, n°
Rayonnement X  réarrangement d’électrons
(cas des isotopes)
125I
 125Te + X + 
En résumé….
• Ces rayonnements sont des désintégrations
nucléaires (E de la particule émise ou du
rayonnement caractéristique de l’élément
considéré)
• 3 caractéristiques d’un élément radioactif
– nom de la particule ou rayonnement (, , , X, n°)
– E de l’émission (eV: keV, MeV)
– intensité (cadence de désintégrations: nbre de
désintégrations par unité de temps)
Générateur de rayonnements ionisants
•
Tube à rayons X
Interaction électron-noyau
•
Interaction électron-électron
Accélérateurs linéaires (> 500 kV) pour obtenir des E élevées
– Radiothérapie, stérilisation, polymérisation
– Champ électrique de haute fréquence qui accélère les électrons (RX avec E entre 4
et 25 MeV, flux de neutrons si cible, flux d’électrons)
Générateur de Rayons X
Mécanisme à l’origine des RX:
enceinte en verre
flux
anode d’électrons
- collisions (électrons des atomes de l’anode)
Cathode
(filament de W)
Interaction e- - e-
useful X-rays
- freinage (noyaux des atomes de l’anode)
Interaction e- - noyau
Phénomène physique de la production de RX:
Les collisions
• Ejection d’un électron
(ionisation)
• Excitation d’un électron
• Réaménagement électronique
– Déplacement des électrons
– Excédent d’E rayonné sous
forme de  fluorescence
Absorption d’E  Etat d’E supérieur 
Retour vers l’état fondamental
E ( Fluorescence) = différence d’E entre 2 couches électroniques
(valeur caractéristique)
Spectre caractéristique
Phénomène physique de la production de
RX: Le rayonnement de freinage
• Electron subissant la force
d’attraction d’un noyau
atomique
– Ralentissement
– Déviation
– Perte d’E sous forme de
photons ( de freinage d’E
entre 0 et E)
– Spectre continu
• Plus l’E de l’électron
augmente et plus Z est
grand, plus le phénomène
sera important
Ce phénomène est celui qui est utilisé dans les générateurs à RX
Interaction des rayonnements ionisants avec la matière
• Les rayonnements perdent leur énergie en traversant la
matière
– Action directe sur les électrons par les  et 
– Excitation et ionisation des atomes par les 
– Excitation des noyaux par les n°
Ionisation de
la matière
• Rayonnement directement ionisant ( et )
– Interaction avec les électrons périphériques
• Expulsion de l’électron
ionisation
• Déplacement d’un électron sur une autre couche
l’atome et émission de photons X

7300 x plus lourd que eTrajectoire rectiligne
Très ionisantes (milliers d’atomes
dans cellule)
e-
nbre de paires d’ions
excitation de
Trajectoire sinueuse
Faiblement ionisant (petit nbre
d’atomes dans cellule)
Interaction des rayonnements ionisants avec la matière
• Rayonnement indirectement ionisant (X et )
– Expulsion des électrons des atomes
Effet photoélectrique
Toute l’E du photon cédée
à l’e- sous forme d’E cinétique
Effet Compton
Partie de l’E du photon
cédée à l’ePhoton de moindre E
Production de paires
Photon d’E > 1.02 MeV
Noyau avec Z élevé
-
+
1
E = 0.511 MeV
Photons E < 50 keV
Ee = h - EK
E entre 50 keV et 20 MeV
Ec = hO - h
-
E > 20 MeV
Erésiduelle = h - 2mOc2
2
Interaction des  avec la matière: Effet photoélectrique
• Totalité de l’E transférée à un e- de l’atome
Ee = h - EK
– Seulement si l’E > EK
– Eliaison avec Z et proximité du noyau
• Coefficient d’absorption photo-électrique
– µphoto-électrique ∞ Z3/E3 Effet important pour les photons
de faible E et dans les matériaux lourds
• En pratique…
– Pb bon matériau pour les écrans de protection contre les RX (permet l’arrêt
des RX de faible E et un bon % des autres)
– Bon contraste de l’image radio
– Effet principal dans la matière organique (Effet majeur pour V > 70kV) car
arrêt du RX de faible E et production d’un électron pouvant être
biologiquement néfaste
Interaction des  avec la matière: Effet compton
• Partie de l’E du  transmise à l’eEc = hO - h
hO
Ec
• Distribution angulaire en énergie
h
– Pour  élevé, E diffusé fort réduite
• Conséquence: dégradation importante
du spectre d’E des 
– Détecteur sensible sur un domaine étendu d’E
de  avec un certaine réponse angulaire
– Le diffusé est multidirectionnel
• Peu d’influence de Z
masse de matière présente!
– Efficacité de l’écran de protection ne dépendant du matériau choisi
•
En pratique…
– Diffusé encore assez énergétique pour avoir des effets sur image radio (voile)
et constituer un danger pour le personnel qui doit se protéger
– provient du patient. Diffusé avec l’E des RX et du volume irradié
Atténuation globale d’un faisceau de photons
I = IO e-µx
• µ dépend de l’E des  incidents et de la nature du matériau
absorbant (masse volumique, numéro atomique)
Domaine prépondérant d’interaction en fonction de l’E des rayonnements et du Z du
matériau absorbant
Domaine prépondérant d’interaction en
fonction de l’E des rayonnements et du Z du
matériau absorbant
Lois de la radioactivité: période radioactive (T)
T: loi physique caractéristique
de chaque élément radioactif
(temps nécessaire pour que la
moitié des atomes présents se soit
désintégrée spontanément)
Au départ N0 noyaux:
1T
2T
3T
10 T
Exemple:
Ra 226 1600 ans
C 14
5730 ans
Tc 99m 6 heures
I 131
8 jours
Th 224 1 seconde
½ N0
¼ N0
1/8 N0
un millième…
Activité du radioélément et exposition aux rayonnements
• Une source est caractérisée par l’activité qu’elle contient (nombre de
noyaux se transformant spontanément par unité de temps), activité
variant selon la décroissance radioactive.
Unité légale : Becquerel (1 Bq = 1 désintégration par seconde)
1 kBq = 1000 Bq
1MBq = 1000 000 Bq
1 GBq = 1000 000 000 Bq
Attention pas de lien direct entre l’activité d’une source et la dose que celle-ci va
engendrer!!
• Importance de la dose d’irradiation (activité et modalités de l’exposition)
– Irradiation externe
– Irradiation interne
– Contamination externe
Ancienne unité: Curie (1 Ci = 37 milliards de Bq)
Période effective et biologique
• En cas de pénétration dans l’organisme…
– Décroissance physique suivant T
– Élimination biologique (organe cible,
concentration…)  TB
– Loi exponentielle dans les deux cas
Période
Effective (TE)
1/TE = 1/TR + 1/TB
TE toujours plus petite que la plus petite des 2 autres !