biophysique des radiations ionisantes electromagnetiques

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Dr Pierre Rome tt e – I magerie Médicale – G énéra t eur e t Emissions de rayons X
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BIOPHYSIQUE DES RADIATIONS IONISANTES
ELECTROMAGNETIQUES
Structure de la matière.
La composition des atomes
Les planètes, l'air, l'eau, les pierres, les êtres vivants .....tous les corps
de la nature sont constitués à partir d'atomes ou d'assemblages
d'atomes ( *) molécules . Un atome a la forme d'une petite sphère. Mais
il n'est pas indivisible.
* Assemblage d'atomes reliés par des liaisons chimiques Molécules
Un atome est composé :
d'un noyau central qui est un assemblage de protons et de neutrons.
Les protons et les neutrons constituent les nucléons (du mot grec "
nucleus " signifiant noyau)
d'un nuage périphérique composé d'un cortège d'électrons qui
tournent à des vitesses prodigieuses autour du noyau. Il est impossible
de vraiment se représenter leurs trajectoires : seules des formules
mathématiques permettent de prédire, dans le nuage qu'ils forment
autour du noyau, les zones où l’on a le plus de chances de les
rencontrer.
Il existe beaucoup d'atomes différents, mais ils sont tous fabriqués à
partir de protons, de neutrons et d'électrons tous identiques. Les atomes
se différencient seulement par leur nombre de protons, de neutrons et
d'électrons.

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La taille d'un atome et de son noyau
Le diamètre du nuage électronique sphérique de l'atome est
de l'ordre de 10-10 mètres Cette taille est vraiment minuscule. Pour
atteindre un centimètre, il faudrait aligner 100 millions d'atomes.
Le noyau est encore beaucoup plus petit, près de 100 000 fois
plus petit que l'atome avec son nuage d'électrons.
La distance du noyau aux électrons est telle que si l'on grossissait un
noyau d'hydrogène aux dimensions d'une bille, il faudrait donner à la
sphère dans laquelle se déplace l'électron un diamètre de 100 mètres.
L'espace immense entre le noyau et les électrons est vide.
La masse de l'atome
Pour estimer la masse d'un noyau, il suffit donc de connaître son nombre
de nucléons (appelé aussi nombre de masse). Sachant que la masse
d'un nucléon est d'environ 1,67.10 -27 kg , il est facile de calculer une
masse approximative d'un atome. Cependant le résultat du calcul n'est
qu'une estimation
La charge électrique de l'atome
Des trois éléments constituant l'atome, seul le neutron ne porte pas de
charge électrique, il est neutre, d'où son nom. Un proton porte une
charge positive et un électron, une charge négative. Un atome dans
son état normal comprend autant de protons que d'électrons. Il est donc
électriquement neutre. Cependant, dans certaines conditions (réactions
chimiques...), l'atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons et
peut alors être chargé positivement ou négativement. Il est alors appelé
ion.
Les éléments chimiques
Un élément chimique est un ensemble d'atomes comportant le
même nombre de protons Il est désigné par un symbole de une ou
deux lettres (ex : H pour l'hydrogène, Fe pour le fer).
Les atomes présents naturellement sur Terre appartiennent à 90
éléments chimiques comprenant de 1 à 92 protons. Les éléments
chimiques, technétium (Tc) avec 43 protons et prométhéum (Pm) avec
61 protons, n'existent pas à l'état naturel. Ils peuvent cependant êtres
créés artificiellement ainsi que d'autres éléments chimiques comprenant
plus de 92 protons comme, par exemple, le plutonium (Pu) avec 94
protons.

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* l’atome de carbone
Ordre de remplissage des orbitales
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f
Atome de Carbone
1s 2s 3p
électrons (-)
+ Ze
noyau
protons + neutrons = nucléons
(Z) (+)
orbitale
Z est le nombre de protons = numéro atomique
Le nombre de masse A = somme protons + neutrons
A 12
Représentation d'un élément E = E
Z
exemple pour le carbone = C
6
La masse d'un atome est concentrée dans son noyau.
Protons et neutrons ont sensiblement la même masse.
Dans un atome il y a un même nombre d'électrons et de protons et un nombre égale ou
supérieur de neutrons. un atome est électriquement neutre.
Un atome qui gagne ou perd un ou plusieurs électrons est appelé un ion
Dr P.Y Romette
Les isotopes
Tous les isotopes de l' hydrogène ont un proton et un électron et ont
zéro, un ou deux neutrons. Ce sont l'hydrogène léger (appelé souvent
hydrogène tout court, car c'est le plus répandu), l'hydrogène lourd
ou deutérium, et le tritium.
Tous les isotopes du carbone ont 6 électrons, 6 protons. Les principaux
ont 6, 7 ou 8 neutrons. Un atome est appelé par le nom de son élément
chimique suivi du nombre de ses nucléons : carbone 12,carbone 13 et
carbone 14.
Les propriétés chimiques d'un atome dépendent du nombre et de la
disposition des électrons dans son nuage. Ainsi tous les isotopes d'un
même élément chimique ont les mêmes propriétés chimiques. Ce
sont en quelque sorte des atomes "frères". Cependant, la légère
différence de masse de leur noyau fait que leurs propriétés physiques se
différencient quelque peu.
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1 - CLASSIFICATION DES RAYONNEMENTS
- Selon la nature du rayonnement, on distingue:
* Le rayonnement électromagnétique
- Rayonnement électromagnétique cohérent
- Rayonnement électromagnétique incohérent
Il est émis par la matière, c’est-à-dire essentiellement par les vibrations
des électrons qui la compose. L'appellation de radiations ou
rayonnements provient du fait que ces ondes se propagent suivant un
rayon qui détermine la direction de propagation.
* Le rayonnement particulaire
À côté des rayonnements de photons qui peuvent êtres considérés
comme de l'énergie cinétique à l'état pur, et pour lesquels le concept de
masse est purement théorique, il existe d'autres types de rayonnements
formés de particules matérielles douées de masse au repos. Quand on
communique à ces particules une certaine énergie cinétique, elles
constituent un rayonnement particulaire qui se comporte comme une
pluie de particules.

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- Selon les effets sur la matière, on distingue:
* Le rayonnement ionisant
* Le rayonnement non ionisant
Un rayonnement ionisant est un rayonnement dont l'énergie est
suffisante pour arracher un électron à une structure moléculaire
biologique, dans le cas contraire le rayonnement est dit non-ionisant.
2 - RADIATIONS IONISANTES ELECTROMAGNETIQUES
2.1 - Propriété des rayons X
* Propagation dans le vide en ligne droite avec une célérité égale à C
(300.000 km/s)
* Ne sont pas déviés par les champs électriques ou magnétiques
* Les rayons x sont des photons d'énergie supérieure à une dizaine
d'électronvolts à quelques milliers d’électrons -volts. Le domaine
d'énergie utilisée en médecine se situe entre 50 KeV et 10 MeV. Les
tubes de radiothérapies de contact fonctionnent aux environs de 10 keV.
2.2 - Principe physique de la production des rayons x
Quand des électrons accélérés dans le vide percutent une "cible"
matérielle, des rayons x sont émis. L'interaction des électrons en
mouvements avec les atomes de la cible se traduit par un ralentissement
de ces électrons. L'énergie cinétique perdue par ces derniers se
manifeste sous 2 formes: Une partie très importante de cette énergie est
plus ou moins directement convertie en chaleur. Une autre partie est
rayonnée hors de la cible sous forme de rayons x. L'émission des rayons
x résulte de 2 mécanismes de production appelés le rayonnement
de freinage et le rayonnement caractéristique.