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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...
1
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……
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
Spectre des Rayons 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)
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
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…
Chaîne de décroissance radioactive
Activité d’un radioélément
• 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
Ancienne unité: Curie (1 Ci = 37 milliards de Bq)
Radioactivité naturelle
atmosphère
rayonnements cosmiques
Photons, muons, neutrons, … + radioelements 14C, 7Be, 3H  
14C
T = 5730 ans s'échange avec
12C
stable
 molécules 14CO2 absorbées par plantes  animaux  nous ..
écorce terrestre
rayonnements telluriques
radio-elements 40K, 32P, … + familles U, Ra,
Rn, Th, Tn
granit maisons : alimente air en 222Rn particulièrement nocif
car inhalé  fixé dans les poumons !
Radioactivité naturelle
Historiquement, 1Ci = activité de 1 g radium : 1 Ci = 3,7 1010 Bq = 37 GBq
Milieux naturels
Eau de pluie
Eau de rivière
0,3 à 1 Bq/l
0,07 Bq/l (226Ra et descendants)
0,07 Bq/l (40K)
11 Bq/l (3H)
14 Bq/l (40K essentiellement)
1 à 2 Bq/l (226Ra, 222Rn)
400 Bq/kg
8000 Bq/kg
Eau de mer
Eau minérale
Sol sédimentaire
Sol granitique
Notre corps : 12000 Bq (6000 dus au
40K)
T  109 ans
minerai d'uranium à 10% (activité uranium) : 1,3 104 GBq par kg
radon (222Rn) contenu dans 1 m3 d'air atmosphérique : 5 Bq
sources pour la gammagraphie industrielle : 4 à 40 GBq
sources de 60Co pour la radiothérapie : 75 à 200 103 GBq
bombe atomique à fissions : 7,4 1013GBq (1 min après l'explosion !)
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 
Ionisation de
la matière
– Excitation des noyaux par les n°
• 2 catégories de rayonnements
– directement ionisant (, , protons)
– indirectement ionisant (, n°: production de particules secondaires chargées)
Interaction des rayonnements ionisants avec la matière
• Rayonnement directement ionisant ( et )
– Interaction avec les électrons périphériques
• Expulsion de l’électron
ionisation
nbre de paires d’ions
• Déplacement d’un électron sur une autre couche
excitation de
l’atome et émission de photons X

7300 x plus lourd que eTrajectoire rectiligne
Très ionisantes (milliers d’atomes
dans cellule)
Trajectoire sinueuse
e- Faiblement ionisant
(petit nombre
d’atomes dans cellule)
Quantification de l’énergie transférée : notion de TEL et DLI
Transfert d’énergie linéique ou TEL
Le TEL est la quantité d’énergie transférée au milieu cible par la particule
incidente par unité de longueur de trajectoire.
Unité : keV mm-1
Pour des particules de vitesse faible devant la lumière on a :
TEL = K q2 n Z/v2
avec:
- k = constante
- q = charge de la particule incidente
- n = nb d’atomes de la cible par unité de volume
- Z = numéro atomique de la cible
- v = la vitesse de la particule incidente
A chaque interaction la particule transfère une partie de son énergie
au milieu jusqu’à ce que sa vitesse soit nulle
=> une particule chargée donnée d’énergie donnée peut être
totalement arrêtée par un écran de nature et d’épaisseur donnée.
Le TEL diminue si v augmente (TEL= K q2 n Z/v2)
Densité linéique d’ionisation (DLI) ou ionisation spécifique
On appelle DLI le nombre de paires d’ions créés par la particule
incidente par unité de longueur.
Unité= (paires d’ions) mm-1
On a : TEL = Wi.DLI
où Wi = énergie moyenne transférée pour chaque ionisation
Paritcules chargées légères (𝜷+ , 𝜷− ).
- Les trajectoires des particules
sont des lignes brisées (particules
légères : changement important
de direction à chaque interaction).
- Dans l’eau la longueur totale de la trajectoire est approchée par la formule :
𝑳(𝒄𝒎) = 𝑬𝟎 (MeV)/2
- dans un milieu de masse volumique  la trajectoire est approchée par la
formule :
𝑳 𝒄𝒎 = 𝑬𝟎 (𝑴𝒆𝑽)/𝟐𝝆
( en g cm-3)
La distance séparant le point d’entrée de la particule et son point
terminal (< trajectoire) s’appelle « profondeur de pénétration
moyenne » ou parcours moyen R.
Répartition entre ionisations et excitations
Distribution des ionisations et excitations dans l'eau pour 1 électron de 1 MeV et 50 keV
A 50 keV la vitesse est plus faible, l’interaction est plus forte => il y
a plus d’ionisations
Paritcules chargées lourdes (𝜶, 𝑰𝒐𝒏).
Le TEL et la DLI de ces particules sont importants :
Pour une énergie cinétique égale, leur vitesse est faible (TEL = K q2
n Z/v2)
Courbe de Bragg dans l’air= évolution de l’ionisation spécifique en fonction
du parcours
Les trajectoires sont quasi rectilignes (les particules sont peu déviées
en raison de leur masse importante)
Dans l’air le parcours moyen R est approché par la formule :
R (cm)= 0.31 E3/2
E = énergie cinétique en MeV
Dans un matériau de masse volumique mat on a :
Rmat = Rair air/mat, où  est en g cm-3
La profondeur de pénétration moyenne est sensiblement égale à la
trajectoire
qq cm dans l’air
qq dizaines de mm dans les tissus mous
Elles sont totalement arrêtées par une feuille de papier et la couche
cornée
Evolution d'un faisceau mono-énergétique de particules ++: la
profondeur de pénétration moyenne R est presque constante, un
faisceau est totalement arrêté par une épaisseur suffisante d’écran.
Interaction des RI avec la matière: les photons
• Rayonnement électromagnétique se différenciant par leur origine
– Rayonnement : changement dans les niveaux d’E du noyau (quantifié)
– Rayonnement de freinage: ralentissement des e- dans la matière
– Rayonnement X: changement dans les niveaux d’E des e- de l’atome
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
E entre 50 keV et 20 MeV
E > 20 MeV
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
• Distribution angulaire en énergie
Ec
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 pas 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
Interaction des  avec la matière: matérialisation
• E > 1MeV   matérialisé en 2 e- avec Ecinétique
Erésiduelle = h - 2mOc2
• Distribution en énergie
– Pour  de haute E, Ecinétique également répartie entre les e– Pour  de faible E, E des positons > E des négatons
• Distribution angulaire
– Pour  de haute E, dirigé vers l’avant
• Annihilation
– Lorsque Ecinétique (+) <<, + est attiré par un  apparition de 2 photons de E = 0.511 MeV
– Si e- au repos, photon émis dans direction opposée
• En pratique…Ne concerne pas le radiodiagnostic
-
1
+
E = 0.511 MeV
-
Atténuation globale d’un faisceau de photons
1- Atténuation dans le vide :
Divergence dans l’espace d’un faisceau de photons émis par une
source ponctuelle
Loi géométrique :
I = I0/ d2
I0 = intensité du faisceau à une distance unité prise comme référence
I = intensité du faisceau à une distance « d » de la source
Atténuation globale d’un faisceau de photons
2- Atténuation dans la matière :
Atténuation d’un faisceau étroit de photons par interactions=
- phénomène aléatoire
- disparition progressive du nombre de photons
- secondaire aux interactions élémentaires entre les photons et les électrons
(et plus rarement entre les photons et les noyaux)
- Soit le photon traverse la matière sans interagir
- Soit il est totalement absorbé par la matière
- Soit il cède une partie de son énergie et ressort avec une direction différente
et une énergie plus faible = diffusion
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
Applications directes de l’atténuation des rayons X dans la matière
Radiographies
Scanner X
=> Renseignements
anatomiques
Coefficients d’atténuation
1- Coefficient d’atténuation linéaire
N0= nombre total de photons mono-énergétiques arrivant sur l’écran
X = épaisseur d’écran en cm
N (x) = N0 e -mx
m = coefficient d’atténuation linéaire, unité= cm-1
il dépend :
- de la nature du milieu
- de la nature (énergie) des photons
m = probabilité d’interaction par unité de longueur
Libre parcours moyen R= 1/m, en cm
2- Coefficient massique d’atténuation
En fait, m dépend de la nature et de l’état physique du matériau =>
définition d’un coefficient massique d’atténuation prenant en compte
ce paramètre :
m/, en cm2/g
m = coefficient linéaire d'atténuation
 = masse volumique du matériau traversé
On a alors :
N (x) = N0 e –(m/) x
où x a une dimension de masse surfacique (g/cm2)
Couche de demi atténuation ou CDA
Définition : la CDA est l’épaisseur que doit avoir un écran pour que le
nombre de photons transmis soit divisé par 2
N(CDA) = N0 e -mCDA = ½ N0
=> e -mCDA = ½
=> -mCDA = ln ½
=> CDA = (ln2)/m
Valeurs de m, CDA, R et  pour certains matériaux
Interaction des RI avec la matière: les neutrons
interactions avec les noyaux
choc élastique :
( neutrons rapides-noyaux légers )
choc inélastique:
( neutrons rapides-noyaux lourds )
capture radiative :
( neutrons lents )
capture non radiative :
( neutrons lents ou rapides )
DANGER: Rayonnements secondaires
parcours : air  100 m et ne sont pas arrêtés par Pb
 tissus vivants : dégâts importants ( protons de recul )
En résumé
les écrans de protection
+
+

-
Papier
Plexi glace
eau
Mat. faible
densité
AIR : qqs cm
qqs m
x
n
Pb
Béton ou Mat.
Hydrogéné
+Cd
qqs 10m
qqs 100m