CHUV             INSTITUT UNIVERSITAIRE             DE RADIOPHYSIQUE                        FILIERE TRM             APPLIQ...
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1. Introduction .............................................................................................................
6. Dosimètres à bulles ......................................................................................................
CHAPITRE II.1            RADIOACTIVITE                                               Objectifs du chapitre        •     Co...
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4.1.3.    Désintégration bêta plus et capture électroniqueDésintégration bêta plusAu cours de la désintégration bêta plus ...
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4.3. Stabilisation du cortège électroniqueAprès une capture électronique ou une conversion interne, l’atome-fille possède ...
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Exercices II.1 1.1. Déterminer le nombre de neutrons et de protons des atomes suivants :      9    132    197       222   ...
Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques   -24-   IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
CHAPITRE II.2               SOURCES RADIOACTIVES                                               Objectifs du chapitre      ...
les premières étoiles étaient nées. Le fonctionnement dune étoile est complexe, mais poursimplifier, disons quelle comport...
Le système solaire est continuellement bombardé par des particules chargées de haute énergiesans doute produites lors déru...
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  1. 1. CHUV INSTITUT UNIVERSITAIRE DE RADIOPHYSIQUE FILIERE TRM APPLIQUEE COURS DE RADIOPHYSIQUE MEDICALE VOLUME 2 Bases de la radiophysique & Mesure des radiations DECEMBRE 2008Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -1- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  2. 2. COURS DE RADIOPHYSIQUE MEDICALE Vol. I Notions de base Vol. II Bases de la radiophysique & mesure des radiations Vol. III Radiodiagnostic Vol. IV Tomodensitométrie Vol. V Imagerie médicale Vol. VI Médecine nucléaire & Radiochimie Vol. VII Radiothérapie Vol. VIII Imagerie par résonance magnétique Vol. IX Ultrasonographie médicale Vol. X RadioprotectionISBN : 2-88444-007-0Editeurs : Institut universitaire de radiophysique appliquée Rue du Grand-Pré 1 CH – 1007 Lausanne http://www.chuv.ch/public/instituts/ira Haute école cantonale vaudoise de la santé Filière Technique en radiologie médicale Avenue Beaumont 21 CH – 1011 Lausanne http://www.hecvsante.chRadiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -2- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  3. 3. Volume IIBases de la radiophysique & mesure desradiationsSommaire1. Radioactivité 71. Introduction ............................................................................................................................................ 72. Terminologie nucléaire........................................................................................................................... 8 2.1. Nucléides 8 2.2. Radionucléides 8 2.3. Carte des nucléides 8 2.4. Dimension de l’atome 10 2.5. Énergie de liaison nucléaire 10 2.6. Force nucléaire 113. Radioactivité......................................................................................................................................... 11 3.1. Constante de désintégration dune source radioactive 11 3.2. Période radioactive 12 3.3. Activité dune source radioactive 134. Modalités de désintégration ................................................................................................................. 13 4.1. Désintégrations radioactives 13 4.1.1. Désintégration alpha 14 4.1.2. Désintégration bêta moins 15 4.1.3. Désintégration bêta plus et capture électronique 17 4.1.4. Fission spontanée 18 4.2. Désexcitation du noyau 18 4.2.1. Émission de rayonnement gamma 19 4.2.2. Transition isomérique 19 4.2.3. Conversion interne 20 4.3. Stabilisation du cortège électronique 21Résumé II.1 ................................................................................................................................................ 22Exercices II.1 .............................................................................................................................................. 232. Sources radioactives 251. Radioactivité naturelle.......................................................................................................................... 25 1.1. Formation des nucléides 25 1.2. Radionucléides terrestres 26 1.2.1. Origine des nucléides terrestres 26 1.2.2. Familles radioactives 26 1.2.3. Rayonnement cosmique et radioactivité induite naturellement 262. Radioactivité artificielle ........................................................................................................................ 27 2.1. Activation 27 2.1.1. Activation aux neutrons 27 2.1.2. Activation aux particules chargées 28 2.2. Fission 28 2.3. Filiation et générateur 293. Application des sources radioactives................................................................................................... 30 3.1. Sources non-scellées 30 3.2. Sources scellées 30 3.3. Radioéléments les plus fréquemment utilisés 31Résumé II.2 ................................................................................................................................................ 33Exercices II.2 .............................................................................................................................................. 343. Interaction des particules chargées avec la matière 351. Rayonnement ionisant ......................................................................................................................... 352. Interaction des électrons avec la matière ............................................................................................ 36 2.1. Pouvoir darrêt des électrons 37Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -3- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  4. 4. 2.2. Parcours des électrons 40 2.2.1. Électrons monoénergétiques 40 2.2.2. Source de rayonnement β 42 2.3. Cas du positron 42 2.4. Protection contre le rayonnement β 423. Interaction des particules chargées lourdes ........................................................................................ 43 3.1. Pouvoir darrêt des particules chargées lourdes 43 3.2. Parcours des particules chargées lourdes 44 3.3. Pic de Bragg 45 3.4. Protection contre les particules chargées lourdes 46Résumé II.3 ................................................................................................................................................ 47Exercices II.3 .............................................................................................................................................. 484. Interaction des photons avec la matière 491. Description des interactions photons matière...................................................................................... 49 1.1. Effet photoélectrique 50 1.1.1. Effet de lénergie du photon incident 50 1.1.2. Effet du numéro atomique 51 1.1.3. Direction démission du photoélectron 51 1.1.4. Rayonnement caractéristique 51 1.1.5. Électrons Auger 51 1.1.6. Importance de leffet photoélectrique en radiodiagnostic 52 1.2. Effet Compton (diffusion incohérente) 52 1.2.1. Effet de lénergie du photon incident 53 1.2.2. Effet du numéro atomique 54 1.3. Création de paire 54 1.3.1. Annihilation électron-positron 55 1.3.2. Effet de lénergie 55 1.3.3. Effet du numéro atomique 56 1.4. Diffusion élastique (diffusion cohérente) 56 1.4.1. Diffusion Thomson 56 1.4.2. Diffusion Rayleigh ou cohérente 57 1.5. Effet photonucléaire 572. Prédominance des interactions photoniques....................................................................................... 583. Atténuation des photons dans la matière ............................................................................................ 59 3.1. Coefficient datténuation linéaire µ 59 3.2. Atténuation exponentielle dun faisceau monoénergétique 60 3.3. Couche de demi-atténuation (CDA) 61 3.4. Facteur dhomogénéité 614. Protection contre le rayonnement γ et les rayons X ............................................................................ 62Résumé II.4 ................................................................................................................................................ 63Exercices II.4 .............................................................................................................................................. 645. Description dun champ de radiation 651. Introduction .......................................................................................................................................... 652. Radiométrie.......................................................................................................................................... 65 2.1. Nombre de particules 65 2.2. Énergie radiante 66 2.3. Fluence 663. Coefficients dinteraction ...................................................................................................................... 67 3.1. Section efficace 68 3.2. Coefficient dinteraction des particules chargées : pouvoir darrêt 68 3.3. Coefficient dinteraction des photons 68 3.3.1. Coefficient datténuation massique µ/ρ 68 3.3.2. Coefficient de transfert dénergie massique µtr/ρ 69 3.3.3. Coefficient dabsorption dénergie massique : µen/ρ 69 3.3.4. Différence entre les divers coefficients "mu" 70Résumé II.5 ................................................................................................................................................ 72Exercices II.5 .............................................................................................................................................. 736. Kerma et dose absorbée 75Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -4- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  5. 5. 1. Introduction .......................................................................................................................................... 752. Photons : conversion dénergie et kerma............................................................................................. 75 2.1.1. Kerma dans lair et fluence 76 2.1.2. Kerma dans lair à proximité dune source radioactive 763. Dépôt dénergie et dose absorbée....................................................................................................... 774. Relation kerma - dose absorbée.......................................................................................................... 77 4.1.1. Cas particulier du faisceau de photons parallèle 77 4.1.2. Relation dose absorbée - kerma à léquilibre électronique 79Résumé II.6 ................................................................................................................................................ 82Exercices II.6 .............................................................................................................................................. 837. Équivalent de dose et dose effective 851. Introduction .......................................................................................................................................... 852. Équivalent de dose .............................................................................................................................. 85 2.1. Transfert dénergie linéique (TEL) 85 2.2. Efficacité biologique relative 86 2.3. Définition de léquivalent de dose 873. Grandeurs opérationnelles................................................................................................................... 88 3.1. Sphère ICRU 88 3.2. Dosimétrie d’ambiance 88 3.2.1. Équivalent de dose ambiant : H*(10) 88 3.2.2. Équivalent de dose directionnel : H(0.07) 88 3.3. Dosimétrie individuelle 88 3.3.1. Équivalent de dose individuel en profondeur : Hp(10) 88 3.3.2. Équivalent de dose individuel en surface : Hp(0.07) 88 3.4. Équivalent de dose à proximité dune source radioactive 89 3.4.1. Équivalent de dose ambiant 89 3.4.2. Équivalent de dose directionnel 89 3.4.3. Données numérique de lOrdonnance sur la radioprotection 894. Dose équivalente ................................................................................................................................. 905. Dose effective ...................................................................................................................................... 91 5.1. Dose effective 91 5.1.1. Incorporation 91 5.2. Lien entre les grandeurs opérationnelles et la dose effective 92Résumé II.7 ................................................................................................................................................ 93Exercices II.7 .............................................................................................................................................. 948. Mesure des radiations 951. Introduction .......................................................................................................................................... 952. Détecteurs basés sur lionisation ......................................................................................................... 96 2.1. Principes de fonctionnement 96 2.2. Chambre d’ionisation 97 2.3. Compteur proportionnel 98 2.4. Compteur Geiger-Müller 100 2.5. Détecteur à semi-conducteur 1013. Détecteurs basés sur la luminescence .............................................................................................. 101 3.1. Luminescence : fluorescence et phosphorescence 102 3.2. Luminescence et mesure des radiations 102 3.3. Scintillateurs solides 102 3.4. Scintillateurs liquides 104 3.5. Dosimètres thermoluminescents (TLD) 1044. Détecteurs basés sur la calorimétrie.................................................................................................. 1055. Détecteurs chimiques ........................................................................................................................ 106 5.1. Émulsion photographique 106 5.2. Dosimètres de Fricke 106 5.3. Dosimétrie par gel 106 5.4. Résonance paramagnétique électronique 107 5.5. Dosimètre à traces 107Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -5- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  6. 6. 6. Dosimètres à bulles ........................................................................................................................... 1077. Mesure par activation......................................................................................................................... 1088. Mesure cytogénétique........................................................................................................................ 108 8.1. Différents types d’aberrations chromosomiques 108 8.2. Taux de dicentriques et estimation de la dose due à une exposition accidentelle récente 1089. Principales mesures requises en radioprotection .............................................................................. 109 9.1. Surveillance de lirradiation individuelle externe 109 9.2. Mesure de la radiation ambiante 110 9.3. Mesure de la contamination de surface 110 9.4. Mesure des incorporations dactivités (mesure de tri) 111 9.5. Mesure de la contamination de lair 111 9.6. Mesure de lactivité déchantillons solides ou liquides 11210. Propriétés importantes dun appareil de mesure ............................................................................... 112 10.1. Sensibilité 112 10.2. Bruit de fond 113 10.3. Limite de détection 113 10.4. Réponse en fonction de lénergie 113 10.5. Réponse directionnelle 114 10.6. Epaisseur de la fenêtre dentrée dans le détecteur 11411. Exigences légales sur les instruments de mesure de radioprotection............................................... 114Résumé II.8 .............................................................................................................................................. 115Exercices II.8 ............................................................................................................................................ 116Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -6- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  7. 7. CHAPITRE II.1 RADIOACTIVITE Objectifs du chapitre • Connaître la description traditionnelle des nucléides et la table des nucléides. • Comprendre comment les nucléons restent confinés dans le noyau. • Décrire les notions de période, de constante de désintégration, et dactivité. • Calculer lactivité dune source radioactive au cours du temps. • Expliquer un schéma de désintégration. • Décrire différents types de désintégration. • Placer les différents types de désintégration dans la table des nucléides.1. RadioactivitéEquation Section 11. IntroductionQuatre cents ans avant Jésus-Christ, le Grec Démocrite cherche à baptiser ce qui, dans lUnivers,existe de plus petit. Si lon admet que tout est divisible, on en vient fatalement au moment où laplus petite entité ne pourra plus être divisée. Démocrite lappelle latome. En 1808, John Daltonconfirme la définition de Démocrite : "les atomes sont les particules finales de la nature,indivisibles et éternelles".Lerreur de Démocrite a duré 22 siècles : latome lui-même est divisible. En 1895, Roentgendécouvre les rayons X. Une année plus tard, Becquerel démontre que les sels duraniumémettent des rayons "spontanément et sans aucune cause". Plus tard, Pierre et Marie Curieappellent radioactivité cette propriété. En 1902, Marie Curie isole le premier décigramme duncorps dont elle avait annoncé théoriquement lexistence 45 mois plus tôt : le radium. Figure 1.1 - Pionniers de la physiques nucléaire : Démocrite, Henri Becquerel, Marie et Pierre Curie, Ernest Rutherford, Albert Einstein.Des corps comme luranium, le thorium ou le radium émettent des rayonnements qui sont ausside lénergie. Il restait à comprendre doù celle-ci provenait. En 1903, Ernest Rutherford montreque "la radioactivité est une preuve et une mesure de linstabilité des atomes et que les atomes deluranium et du thorium subissent une série de transformations spontanées". En 1905, AlbertEinstein publie trois articles dans lesquels il expose la théorie de la relativité : la matière peut setransformer en énergie et vice versa.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -7- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  8. 8. 2. Terminologie nucléaire2.1. NucléidesLe terme de nucléide est utilisé pour décrire le noyau atomique en tant quentité individuelle paropposition à un simple constituant de latome. Un nucléide est composé de nucléons : lesneutrons et les protons. Le nombre de protons dans le noyau est généralement représenté par lesymbole Z et le nombre de neutrons par le symbole N. Le nombre total de nucléons, appelénombre de masse est quant à lui généralement représenté par le symbole A. On a donc larelation suivante : A = Z+ N . (1.1) AUn élément E ayant Z protons et N neutrons peut être représenté sous la forme Z E N . Par 14exemple, un atome de carbone contenant 8 neutrons peut sécrire sous la forme C8 . On 6remarque que cette façon décrire est redondante puisque le symbole de lélément indique demanière univoque le nombre de protons. Cest la raison pour laquelle un nucléide est la plupartdu temps indiqué uniquement par son symbole et son nombre de masse. Pour reprendrelexemple précédent, un noyau de carbone contenant 8 neutrons peut sindiquer indifféremmentcomme : 14 6 C8 ou 14 C ou C − 14 . (1.2)2.2. RadionucléidesUn nucléide instable ayant la propriété de pouvoir se transformer spontanément en un nucléidelui-même stable ou instable est appelé radionucléide. Par définition, une transformationspontanée ne peut avoir lieu que si le niveau énergétique final est plus bas que le niveauénergétique initial. Cette transformation peut aboutir sur un élément différent ou le mêmeélément dans un niveau énergétique plus bas. Un radionucléide est également souvent appelénucléide radioactif.2.3. Carte des nucléidesLes nucléides ayant un nombre de protons Z donné mais un nombre de neutrons N variable sontles isotopes dun élément (voir Figure 1.2). Inversement, des nucléides ayant le même nombre deneutrons mais un nombre de protons variable sont des isotones. Des nucléides ayant le mêmenombre de masse sont appelés isobares. A titre dexemple, considérons lor dont il existe 32isotopes allant de Au-173 à Au-204. Sur ces 32 isotopes, un seul dentre eux (Au-197) est stable.Tous les autres sont des radionucléides.Lensemble des atomes neutres de tous les isotopes dun même élément ont le même nombredélectrons et les mêmes propriétés chimiques et sont ainsi représentés dans la même position dutableau périodique. Mais, comme nous le verrons plus bas, les propriétés nucléaires de cesisotopes peuvent grandement varier et par voie de conséquence le tableau périodique na quunusage fort limité pour toute étude nucléaire de la matière.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -8- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  9. 9. Z isotopes isotones iso ba r es N Figure 1.2 - Carte des nucléides dans laquelle chaque nucléide est représenté en fonction du nombre de neutrons (N) et de protons (Z). Des nucléides ayant le même nombre de protons mais un nombre de neutrons variable sont des isotopes. Inversement, des nucléides ayant le même nombre de neutrons mais un nombre de protons variable sont des isotones. Des nucléides ayant le même nombre de masse sont appelés isobares.Limportance de N et de Z pour qualifier les propriétés dun nucléide a donné naissance à la cartedes nucléides dans laquelle chaque nucléide est représenté dans une case définie en horizontalpar le nombre de neutrons et en vertical par le nombre de protons. La Figure 1.3 présente lacarte des nucléides pouvant exister dans la nature avec en noir, les nucléides stables et en gris,les radionucléides. On remarque que les nucléides de faibles masses ont environ le mêmenombre de protons que de neutrons. En revanche, les nucléides plus lourds tendent clairement àavoir plus de neutrons que de protons. Par exemple, Au-197 a 118 neutrons; ce qui correspondà un excès de neutrons de 39. On notera encore quà lexception du technétium (Z=43) et duprométhium (Z=61) tous les nucléides ayant une valeur de Z inférieure ou égale à 82 (plomb)ont au moins un isotope stable connu. Pour des valeurs de Z supérieures ou égale à 83(bismuth), il nexiste aucun isotope stable connu. Finalement, il est intéressant de constater queles radionucléides se trouvent de chaque côté de la bande relativement bien définie des nucléidesstables ainsi que dans la partie supérieure droite de la carte. Jusquà présent, il na pas étépossible de mettre en évidence des nucléides ayant un nombre de protons supérieur à Z=114(A=281). 100 Z=N 80 Nombre de protons Z 60 40 20 Instables Stables 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Nombre de neutrons N Figure 1.3 - Carte des nucléides existants. En noir, sont représentés les nucléides stables, alors quen gris sont représentés les radionucléides. Sur les quelques 2659 nucléides connus, seuls 264 sont stables.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -9- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  10. 10. 2.4. Dimension de l’atomeLe noyau, tout comme l’atome, n’est pas un objet "solide" avec une surface bien délimitée ausens où on lentend habituellement. Les dimensions de l’atome sont toutefois de lordre de 10-10mètre alors que celles du noyau sont denviron 10-15 mètre. Ces dimensions étant extrêmementpetites, il est intéressant de décrire les composantes de latome à une échelle plus humaine. Si unatome de carbone posé au centre de Paris, était agrandi jusquà ce quil ait 2000 km de diamètre,son noyau serait une sphère de 80 m de hauteur (hauteur de la cathédrale Notre Dame). Les 6protons et les 6 neutrons de ce noyau seraient des boules de 30 m de diamètre et dans chacunedelles, trois quarks, pas plus gros que des fourmis mèneraient une sarabande folle. Pas plus grosque des petites fourmis, eux non plus, seraient les 6 électrons de cet atome géant1.2.5. Énergie de liaison nucléaireLes masses atomiques peuvent être mesurées avec de grandes précisions en utilisant desspectromètres de masse ou en effectuant des réactions nucléaires. Lunité de masse atomique(uma) est telle que la masse dun noyau de C-12 vaut exactement 12 uma. Dans les unitésinternationales ou en convertissant la masse en énergie (E=mc2), cela signifie que 1uma = 1.661 ⋅10 −27 kg = 931.5 MeV . (1.3)Lénergie nécessaire pour séparer un nucléide donné en chacun de ses nucléons est appeléelénergie de liaison du nucléide. Si lon divise cette énergie par le nombre de masse A, on obtientlénergie de liaison par nucléon. La Figure 1.4 montre lénergie de liaison par nucléon enfonction du nombre de masse. On remarque que lénergie de liaison accuse un maximum pourles valeurs de A situées aux environs de 60.Le fait que lénergie de liaison par nucléon est plus faible pour les grandes masses signifie queles nucléons sont plus solidement liés lorsquils cohabitent à lintérieur de deux noyaux demasses moyennes que lorsquils résident dans un noyau de grande masse. Cest la raison pourlaquelle de lénergie est libérée lorsquon effectue une fission nucléaire.A lautre extrémité du graphique, on constate que de lénergie est également libérée lorsque deuxnoyaux de faible masse sont combinés ensemble pour former un noyau de masse moyenne. Ceprocessus inverse à la fission est appelé fusion nucléaire. Ni-62 Energie de liaison par nucléon [MeV] He-4 8 U-238 Xa-273 6 Be-9 Li-6 4 H-3 2 H-2 0 0 50 100 150 200 250 Nombre de masse A [-] Figure 1.4 - Énergie de liaison par nucléon en fonction du nombre de masse A. Le nucléide Ni-62 a la plus grande énergie de liaison.1 Cette analogie a été reprise de la publication de Rafel Carreras "Quand lénergie devient matière", édité par leCERN en janvier 2000.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -10- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  11. 11. 2.6. Force nucléaireLa force qui gouverne les mouvements des électrons atomiques est la force électromagnétique.Sachant quun nucléide contient généralement plusieurs protons de même charge positive, on endéduit quil doit exister à lintérieur du noyau une force supérieure à la force électromagnétiquequi est à même de confiner les nucléons dans un espace aussi petit que le volume nucléaire.La théorie actuelle est que la force qui lie les nucléons entre eux nest pas une forcefondamentale de la nature mais plutôt un effet secondaire, ou retombée, de la force forte qui lieles quarks entre eux pour former les neutrons et les protons. Cet effet secondaire de la forceforte est comparable au fait que deux atomes électriquement neutres peuvent se lier à lintérieurdune molécule sous leffet secondaire de forces électriques coulombiennes.Le fait quil y ait concurrence entre la force forte (attractive) et la force électromagnétique(répulsive entre les protons) à lintérieur dun nucléide permet de comprendre pourquoi lesnucléides de grande masse ont tous un excès de neutrons. En effet, dans un nucléide ayantdavantage de neutrons que de protons, leffet de la force électromagnétique est réduit.3. RadioactivitéUne quantité de matière contenant un ensemble de noyaux instables est appelé sourceradioactive.Dans la présente section, on sintéresse à la description dune source radioactive du point de vuedu nombre de noyaux instables quelle contient ou du nombre de particules quelle émet au coursdu temps. Les aspects physiques à la base des processus de désintégration et le type departicules émises seront discutés dans la section 4.3.1. Constante de désintégration dune source radioactiveLa désintégration radioactive dun radionucléide est un processus aléatoire dont la réalisation sedécrit dun point de vue probabiliste. On définit la constante de désintégration λ dunradionucléide dans un état énergétique donné par le quotient de dP sur dt, où dP est la probabilitéquun noyau donné subisse une transformation nucléaire spontanée de ce niveau énergétiquependant lintervalle de temps dt : dP [ −1 ] λ=s . (1.4) dtSi la source radioactive contient N noyaux instables, le nombre moyen de noyaux subissant unedésintégration pendant lélément de temps dt est donné par : −dN = λ N dt . (1.5)Le signe négatif devant dN sexplique par le fait que le nombre de noyaux instables N diminue etque par conséquent dN est négatif. Cette équation différentielle se résout aisément enconsidérant que lon a N0 noyaux instables au temps t = 0. Le nombre de noyaux instables pourun temps t quelconque vaut : N ( t ) = N 0 e −λt . (1.6)Le nombre de noyaux instables en fonction du temps est donc décrit par une loi de décroissanceexponentielle (voir Figure 1.5). On constate quen représentation semi-logarithmique, N(t) estune droite.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -11- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  12. 12. 100 1 (a) (b) Nbre de noyaux instables [%] Nbre de noyaux instables [-] 80 1/2 60 1/4 40 1/8 20 0 t [s] 0 T 2T 3T 4T t [s] Figure 1.5 - Nombre de nucléides instables au cours du temps. On considère quau temps t=0, on a N0 nucléides et que la période vaut T. (a) Échelle linéaire; (b) échelle semi- logarithmique.3.2. Période radioactiveLa décroissance exponentielle du nombre de noyaux instables est souvent exprimée en fonctiondu temps T nécessaire à réduire leur nombre dun facteur deux. Ce temps est appelé périoderadioactive et sexprime en fonction de la constante de désintégration λ en notant quau tempst=T, le nombre de noyaux instables est par définition égal à N0/2 : N ( T ) = 1 N 0 ⇔ N 0 e −λT = 1 N 0 ⇔ −λT = − ln 2 2 2 ln 2 (1.7) ⇔ T= [s ] . λ 100 80 Nombre de protons Z 60 40 T < 1 us T<1s T < 1 min 20 T<1h T < 1 an T > 1 an stable 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Nombre de neutrons N Figure 1.6 - Répartition des périodes des radionucléides. On constate que les périodes les plus longues ont tendance à être proches des noyaux stables.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -12- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  13. 13. La Figure 1.6 montre que, dans la carte des nucléides, les périodes les plus longues se trouvent àproximité des noyaux stables. Inversement, les périodes les plus courtes correspondent auxnoyaux les plus éloignés.3.3. Activité dune source radioactiveOn peut définir lactivité dune source radioactive comme le nombre de désintégrations qui ontlieu par unité de temps. Plus précisément, lactivité dune certaine quantité de radionucléidesdans un état énergétique particulier à un instant donné se définit par le quotient de dN sur dt, oùdN est le nombre de transformations nucléaires spontanées depuis cet état dénergie pendantlintervalle de temps dt : −dN [ −1 ] A= s = [ Bq ] . (1.8) dtLunité de lactivité est donc linverse dun temps. Etant donnée limportance de cette grandeur,on a attribué un nom particulier à son unité, le becquerel, abrégé [Bq]2.La relation (1.6) permet dexprimer lactivité au cours du temps : A(t) = λ N(t) . (1.9)Pour une source ayant une activité A0 au temps t=0, lactivité en fonction du temps sexprimedonc par : A ( t ) = A 0 e −λt = A 0 e − ln 2 t T . (1.10)Dans la pratique, lintensité dune source radioactive se décrit par lactivité, et non pas par lenombre de nucléides instables. Il est en effet souvent plus simple de mesurer les particulesémises par une désintégration que de mesurer des nucléides instables qui peuventpotentiellement se désintégrer.4. Modalités de désintégrationDans la section précédente, on sest attaché à décrire lévolution du nombre de nucléides au coursdu temps par le biais de lactivité et des quantités dérivées. Cette description ne faisait aucunehypothèse quant à la nature physique des transformations. Dans la présente section, onsapplique à décrire les types de transformations les plus courantes. Celles-ci se répartissent entrois catégories :• Les processus transformant spontanément un nucléide en un autre nucléide par lémission dune ou plusieurs particule(s).• Les processus transformant un nucléide en plusieurs autres nucléides.• Les processus transformant un nucléide dans un état énergétique donné en un même nucléide dans un autre état énergétique.4.1. Désintégrations radioactivesLes désintégrations les plus courantes sont celles pour lesquelles le nucléide émet un noyaudhélium (particule alpha) ou un électron (particule bêta). Dans le cas des noyaux lourds, lenucléide peut également se scinder en plusieurs noyaux et neutrons (fission nucléaire). Cestransformations aboutissent à une modification de la composition des noyaux. Bien souvent,après une transformation, le nucléide résultant se trouve dans un état énergétique excité. Il sestabilise en libérant son énergie sous la forme dun ou plusieurs photons (particules γ) ou en2 Lancienne unité dactivité, qui na plus cours légal en Suisse depuis le 1er janvier 1997 est le curie [Ci].1 Ci = 3.7 1010 BqRadiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -13- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  14. 14. transférant son énergie aux électrons du cortège. Cette désexcitation ne modifie pas lacomposition du noyau.La condition fondamentale pour quun nucléide subisse une désintégration spontanée est que lescomposantes finales soient dans un état énergétique inférieur à la composante initiale. Unedésintégration spontanée ne se produit que si elle conduit à une dissipation dénergie.4.1.1. Désintégration alphaLors dune désintégration alpha (α), un nucléide E composé de Z protons et de N neutrons (etdun nombre de masse A=Z+N) se transforme en un nucléide E par émission dun noyaudhélium, appelé particule alpha et composé de 2 neutrons et 2 protons. Cette désintégrationaboutit à un nucléide contenant Z-2 protons et N-2 neutrons. Le noyau de départ, appelé lenoyau-mère, donne naissance à un nouveau noyau, le “noyau-fille”. Formellement, cela sécrit : A −4 A EN → Z− 2 E N − 2 + 2 He2 . 4 (1.11) Z { αLa position relative du noyau-mère et du noyau-fille dans la carte des nucléides est indiquée à laFigure 1.7. Z m f N Figure 1.7 - Désintégration alpha dans la carte des nucléides. Le noyau-mère (m) se désintègre en un noyau-fille (f) en perdant deux neutrons et deux protons.La désintégration α concerne principalement les noyaux lourds. Lanalyse des énergies desparticules α émises par un nucléide donné montre quelles forment un ensemble fini et discret.Le spectre du rayonnement α est ainsi formé de lignes, où chacune dentre elles correspond à unétat énergétique du noyau-fille.Les informations relatives à une désintégration sont souvent données dans un schéma dedésintégration. La Figure 1.8 montre le schéma de désintégration du radium-226 (Ra-226).Conventionnellement, laxe vertical représente lénergie et laxe horizontal correspond au nombrede protons. Dans le cas de la désintégration α, le noyau-fille est présenté à gauche du noyau-mère, car il a deux protons de moins. Il est représenté plus bas que le noyau-mère, car son étaténergétique est inférieur.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -14- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  15. 15. T =1622 a 226 Ra 88 α2 (1.2% ; 4.61 MeV) 0.18 MeV α1 (98.8% ; 4.79 MeV) 0 222 Rn 86 Figure 1.8 - Schéma de désintégration du radium-226 (Ra-226). La période de ce radioélément est de 1622 années. Deux voies de désintégration α sont possibles. La première voie concerne 98.8% des désintégrations : une particule α de 4.79 MeV est émise; le noyau-fille est le radon-222 (Rn-222) directement dans son état énergétique fondamental. Dans la deuxième voie (qui concerne 1.2% des désintégrations), une particules α de 4.61 MeV est émise. Le noyau-fille est le même que pour la première voie (Rn-222) dans un état énergétique de 0.18 MeV supérieur (4.79 - 4.61). Cette énergie est libérée sous la forme dun photon de 0.18 MeV. Ceci conduit finalement à un noyau-fille dans létat énergétique fondamental.4.1.2. Désintégration bêta moinsAu cours de la désintégration bêta moins (β-), le noyau instable émet un électron (particule β-) etun anti-neutrino ( ν ). Le noyau-fille possède le même nombre de nucléons que le noyau-mère;un neutron s’est transformé en proton à l’intérieur du noyau. On peut schématiser le processuscomme suit : A Z EN → A Z +1 E N −1 + β− + ν . (1.12)La position relative du noyau-mère et du noyau-fille dans la carte des nucléides est indiquée à laFigure 1.9. La désintégration β− concerne les noyaux dont le nombre de neutrons estrelativement élevé par rapport à la zone de stabilité des noyaux. Z f m N - Figure 1.9 - Représentation dune désintégration bêta moins (β ) dans la carte des nucléides. La flèche représente le déplacement dû à la désintégration. Le noyau-mère (m) se désintègre en un noyau-fille (f) en remplaçant un neutron par un proton.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -15- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  16. 16. Lanti-neutrino est lanti-particule du neutrino. Le neutrino est une particule neutre de masseproche de zéro (voire nulle). Le taux dinteraction entre le neutrino et la matière estextrêmement faible puisquon a calculé que son libre parcours moyen dans leau est de lordre deplusieurs milliers dannées lumières3. Le neutrino est la particule la plus abondante danslUnivers. Chaque seconde, notre corps est traversé par plusieurs milliards de neutrinos.L’énergie mise à disposition par la désintégration est répartie suivant une règle statistique entrela particule β- et le neutrino. Ainsi les particules β n’ont pas toujours la même énergie : lespectre du rayonnement β- est continu, de l’énergie nulle (toute l’énergie à disposition esttransférée au neutrino) à l’énergie maximale disponible (énergie nulle du neutrino); un exemplede spectre β- est donné à la Figure 1.10. L’énergie maximale du rayonnement β- est située entrequelques keV et quelques MeV. En général, un spectre β- est caractérisé par deux valeurs :lénergie maximale et lénergie moyenne. Le rapport entre ces deux grandeurs est denviron 1/3. Nbre relatif de particules β- P-32 E.max 1.71 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Énergie du rayonnement β - [MeV] Figure 1.10 - Spectre énergétique des bêtas émis par le phosphore-32 (P-32). On notera que ce spectre est continu avec des énergies comprises entre 0 et 1.71 MeV.Un exemple de désintégration β- est donné à la Figure 1.11. Il s’agit du phosphore-32 (P-32) quiest un émetteur β- pur, car la désintégration conduit directement à l’état fondamental du soufre-32 (S-32). Figure 1.11 - Schéma de désintégration du P-32. La période de ce radioélément est de 14.3 jours. Il nexiste quune seule voie de désintégration qui conduit directement au S-32 dans son état énergétique fondamental. Lénergie indiquée dans le schéma (1.71 MeV) correspond à lénergie maximale possible; lénergie effectivement reçue par la particule β se situe entre 0 et 1.71 MeV.3 Une année-lumière est la distance parcourue dans le vide par la lumière (environ 9.454 1015 m).Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -16- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  17. 17. 4.1.3. Désintégration bêta plus et capture électroniqueDésintégration bêta plusAu cours de la désintégration bêta plus (β+), le noyau instable émet un positron (particule β+,électron positif) et un neutrino (ν). Le noyau-fille possède le même nombre de nucléons que lenoyau-mère; un proton s’est transformé en neutron à l’intérieur du noyau. On peut schématiserle processus comme suit : A Z EN → A Z −1 E N +1 + β+ + ν . (1.13)La position relative du noyau-mère et du noyau-fille dans la carte des nucléides est indiquée à laFigure 1.12. La désintégration β+ concerne les noyaux dont le nombre de protons estrelativement élevé par rapport à la zone de stabilité des noyaux. Z m f N + Figure 1.12 - Représentation dune désintégration bêta plus (β ) ou dune capture électronique dans la carte des nucléides. La flèche représente le déplacement dû à la désintégration. Le noyau-mère (m) se désintègre en un noyau-fille (f) en remplaçant un proton par un neutron. Dans le cas de la désintégration β+, un positron et un neutrino sont émis. Dans le cas de la capture électronique, un électron de latome est absorbé et un neutrino est émis. Figure 1.13 - Schéma de désintégration du fluor-18 (F-18). La période de ce radioélément est de 109 minutes. Il existe deux voies de désintégration pour ce nucléide qui conduisent toutes deux à létat fondamental de loxygène-18 (O-18). La première voie est empruntée + dans 97% des cas : il sagit dune désintégration β dont lénergie maximale est 0.63 MeV. La seconde voie nest empruntée que dans 3% des cas : il sagit dune capture électronique.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -17- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  18. 18. La particule β+ n’existe pas dans la matière stable. Après son freinage dans la matière(mécanisme décrit dans un chapitre ultérieur), le positron de faible énergie rencontre un électronet s’annihile avec celui-ci, c’est-à-dire que les deux particules disparaissent, donnant lieu àl’émission dans des directions opposées (180°) de deux photons d’énergie égale à l’énergie demasse de l’électron, cest-à-dire 0.511 MeV chacun. Ainsi la signature d’une désintégration β+est l’émission de rayonnement gamma de 0.511 MeV.Comme dans le cas de la désintégration β- le spectre du rayonnement β+ est continu. L’énergiemaximale est située aussi entre quelques keV et quelques MeV.Capture électroniqueLa capture électronique (en anglais EC : electron capture) est un processus concurrentiel à ladésintégration β+. Dans ce cas, un électron d’une couche profonde de latome (e-), en général dela couche K, est absorbé dans le noyau et un neutrino (ν) est émis. On peut schématiser leprocessus comme suit : A Z E N + e− → A Z−1 E N +1 + ν . (1.14)La position relative du noyau-mère et du noyau-fille dans la carte des nucléides est la même quepour la désintégration β+ (voir Figure 1.12).La capture électronique est plus économique au point de vue énergétique que lémission dunpositron, si bien que lorsquil y a peu dénergie disponible pour la désintégration, elle seule peutse produire. Ce mode de désintégration est difficile à mettre en évidence, car le neutrinoemporte lessentiel de lénergie libérée. Lévénement passerait inaperçu, si le noyau et soncortège électronique ne se réarrangeaient pas. Comme indiqué plus haut, lélectron capturéappartient généralement à la couche K. Latome qui se retrouve avec un "trou" sur cette coucheest perturbé. Il se réarrange en émettant des rayons X de fluorescence ou des électrons Auger(voir plus bas).Ce mode de radioactivité est par conséquent difficile à détecter et na été découverte quen 1937,40 ans après la désintégration β− et quelques années après la désintégration β+.Un exemple de capture électronique dans le cas du fluor-18 (F-18) est donné à la Figure 1.13.Les deux mécanismes de désintégration (β+ et capture électronique) co-existent pour un mêmenucléide.4.1.4. Fission spontanéeAu cours dune fission nucléaire, un nucléide instable de numéro atomique élevé, se fractionneen deux noyaux moyens (produits de fission). Au cours de ce processus, plusieurs neutrons sontémis. Le schéma général dune fission sécrit : A Z EN → A1 Z1 E N1 + A 2 E N 2 + X ⋅ n , Z2 (1.15)où Z=Z1+Z2 et N=N1+N2+X. Le nombre de neutrons (X) émis par fission est de lordre de 2 à 3.Le même noyau-mère peut donner lieu à toute une série de couples de produits de fission, quisont en général radioactifs à leur tour. Il y a lieu de distinguer entre la fission spontanée et lafission induite (en général par des neutrons) qui est utilisée sous forme de réaction en chaînedans les réacteurs nucléaires.4.2. Désexcitation du noyauAprès une désintégration, le noyau-fille se trouve généralement dans un état énergétique excité.La désexcitation du noyau peut se faire de différentes manières : • Emission de rayonnement gamma. • Transition isomérique.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -18- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  19. 19. • Conversion interne.4.2.1. Émission de rayonnement gammaL’émission de rayonnement gamma (γ) consiste à libérer lénergie excédentaire du noyau-fillepar émission dun photon. On peut schématiser le processus comme suit : ∗ A Z E N → A E N +γ , Z (1.16)où l’astérisque indique un état excité.La plupart des désintégrations α et β sont suivies d’émission de rayonnement γ. L’émission derayonnement γ suit immédiatement celle des particules α ou β (durée de vie de l’état excitéinférieure à 10-10 s). L’énergie du rayonnement γ correspond à la différence d’énergie entre lesniveaux du noyau-fille. T = 5.26 a 60 Co β 1 (99.8 %; 0.31 MeV) 27 2.51 MeV β (0.2 %; 1.49 MeV) γ 2 1 1.33 MeV γ 2 0.0 MeV 60 Ni 28 Figure 1.14 - Exemple démission de rayonnement gamma suivant la désintégration β du - cobalt-60 (Co-60). En raison des deux voies possibles de désintégration β du Co-60, deux - photons ont une certaine probabilité dêtre émis lors de chaque désintégration. Dans 99.8% des cas, un photon de 1.18 MeV (2.51-1.33) est émis. Dans 100% des cas, un photon de 1.33 MeV est émis.Le spectre du rayonnement γ est un spectre de lignes, chacune d’entre elles correspond aupassage d’un état excité à un autre état du noyau-fille. Le schéma de désintégration du cobalt-60(Co-60) est donné dans la Figure 1.14. Il sagit dun émetteur β- aboutissant au niveaufondamental du noyau-fille par émission de rayonnement gamma.4.2.2. Transition isomériqueLa transition isomérique diffère de la simple émission de rayonnement γ par le fait que le noyau-fille reste un temps non négligeable dans létat excité.Comme pour les autres processus de désintégration, la transition isomérique est un phénomènestatistique dont lévolution au cours du temps est décrite par une loi exponentielle décroissantecaractérisée par sa période. Lexemple le plus important en radiologie médicale est celui dutechnétium-99m (Tc-99m). Son schéma de désintégration est présenté dans la Figure 1.15. Lalettre "m" dans le symbole Tc-99m signifie quil sagit de Tc-99 dans un état métastable; cest-à-dire un peu stable, mais pas suffisamment pour rester éternellement dans cet état.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -19- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  20. 20. 99m Tc (6 h) 0.1405 MeV 0.0 99 . 5 43 Tc (2,12 10 a) Figure 1.15 - Exemple de la transition isomérique du technétium-99m (Tc-99m) dont la période est de 6 heures. Cet isotope provient de la désintégration β du molybdène-99 (Mo- - 99). Il émet des γ de 140.5 keV. Le noyau-fille est le Tc-99, qui est quasiment stable . 5 puisque sa période est de 2.12 10 années.4.2.3. Conversion interneAu cours de la conversion interne, processus concurrentiel à l’émission de rayonnement γ, lenoyau-fille se désexcite en transmettant son énergie à un électron du cortège électronique qui estémis hors de l’atome. On peut schématiser le processus comme suit : A Z E N → A E N +e− . ∗ Z (1.17)La conversion interne a lieu préférentiellement pour les noyaux lourds (Z élevé). Le schéma dedésintégration du césium-137 (Cs-137), qui comporte des conversions internes et une transitionisomérique, est donné dans la Figure 1.16. T = 30.05 a 137 β- (94.36 %; 513 keV) Cs 1 55 T = 2.55 min 0.661.7 keV β - (5.64 %; 1175 keV) K (7.6 %) 2 γ (85.0 %) L (1.4 %) M, N, O (0.36 %) 0 137 137 Ba Ba 56 56 Figure 1.16 - Schéma de désintégration du césium-137 (Cs-137) qui est un émetteur β de - 30.05 ans de période dont le noyau-fille est le barium-137 (Ba-137) [source : Monographie BIPM-5, Paris 2005]. Dans 5.64% des cas, le noyau-fille est directement dans son état fondamental. Dans 94.36% des désintégrations, le Ba-137 est dans un état excité à 661.7 keV (Ba-137m). Cet état excité (métastable) du Ba-137 se relaxe à létat énergétique fondamental avec une période de 2.55 minutes. Pour chaque désintégration dun noyau de Cs-137, le Ba-137m descend à létat fondamental un rayonnement γ de 661.7 keV avec une probabilité de 85%. Dans les 9.36% des cas restant, la descente à létat fondamental se fait par conversion interne (émission dun électron atomique recevant lénergie du noyau). Les électrons recevant les 661.7 keV à disposition sont ceux de la couche K (7.6%), de la couche L (1.4%), ou ceux des couches supérieures (0.3%).Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -20- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  21. 21. 4.3. Stabilisation du cortège électroniqueAprès une capture électronique ou une conversion interne, l’atome-fille possède une vacanceélectronique dans une couche profonde. Cette vacance est remplie par descente d’un électrond’une couche externe. La nouvelle vacance créée est à son tour remplacée par un électron plusextérieur. Cette cascade électronique conduit à la stabilisation du cortège électronique.L’énergie mise à disposition lors du passage d’un électron dans une couche plus profonde peutêtre émise de 2 manières : • Par lémission dun photon, appelé rayon X de fluorescence. • Par transfert de l’énergie à disposition à un électron du cortège électronique qui est éjecté hors de l’atome; cet électron est appelé électron Auger.Les processus d’émission ont lieu tout au long de la cascade, donnant lieu à un spectre complexe(de lignes) de rayonnement de fluorescence et d’électrons Auger.Ces deux mécanismes sont schématisés à la Figure 1.17. (a) (b) électron vacance RX e- noyau orbitale Figure 1.17 - Stabilisation du cortège électronique. Après une capture électronique ou une conversion interne, la vacance créée est réoccupée par un électron plus extérieur. Lénergie excédentaire de lélectron peut être libérée par émission de rayonnement X de fluorescence (a), ou par émission dun électron Auger (b).Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -21- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  22. 22. Résumé II.1 • Les noyaux atomiques ou nucléides sont composés de neutrons et de protons liés entre- eux sous leffet de la force forte. Les nucléides stables ont tendance à avoir davantage de neutrons que de protons. • Les noyaux radioactifs ou radionucléides se désintègrent de manière spontanée. Au cours du temps, leur nombre N décroît exponentiellement avec la constante de désintégration λ : N=N0exp(-λt). • La période dun radionucléide T est la durée nécessaire à réduire le nombre de noyaux radioactifs dun facteur deux. La relation avec la λ est λ=ln2/T • Lactivité A dune source radioactive est le nombre de désintégrations par unité de temps. Lunité est le becquerel : 1Bq=1s-1. Au cours du temps, lactivité décroît comme le nombre de noyaux radioactifs : A=A0exp(-λt). • Au cours dune désintégration radioactive, un noyau - appelé noyau-mère - libère de lénergie par émission dune ou plusieurs particules. La composition du noyau résultant - appelé noyau-fille - diffère de celle du noyau-mère. • La désintégration alpha consiste en lémission dune particule alpha (noyau dhélium : 2 protons + 2 neutrons). Le spectre énergétique est un spectre de ligne. Les nucléides concernés sont plutôt ceux ayant un grand nombre de protons. • La désintégration bêta moins consiste en la transformation, à lintérieur du noyau, dun neutron en proton provoquant lémission dun électron (particule bêta moins) et dun anti-neutrino. Le spectre énergétique est continu. Les nucléides concernés sont plutôt ceux dont le nombre de neutrons est relativement élevé (en dessous de la zone de stabilité). • La désintégration bêta plus consiste en la transformation, à lintérieur du noyau, dun proton en neutron provoquant lémission dun positron (particule bêta plus) et dun neutrino. Le spectre énergétique est continu. Les nucléides concernés sont plutôt ceux dont le nombre de protons est relativement élevé (en dessus de la zone de stabilité). • La capture électronique est un processus concurrentiel à la désintégration bêta plus. La différence réside essentiellement dans le fait que le noyau absorbe un électron atomique au lieu démettre un positron. • La fission spontanée consiste en un fractionnement dun noyau lourd en deux noyaux moyens et émission simultanée de plusieurs neutrons. Les noyaux-filles sont des produits de fission en général radioactifs. • Suite à une désintégration, le noyau-fille est souvent dans un état énergétique excité. La stabilisation peut se faire par lémission de rayonnement gamma (appelée transition isomérique si elle est retardée) ou par transmission de lénergie excédentaire aux électrons du noyau (conversion interne).Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -22- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  23. 23. Exercices II.1 1.1. Déterminer le nombre de neutrons et de protons des atomes suivants : 9 132 197 222 4 Be, 54 Xe, 79 Au et 86 Rn . 1.2. Compléter les relations suivantes : (a) 239 94 Pu + 0 n → 1 (b) 16 8 O + 0n → 1 + 1H . 1 1.3. Calculer le nombre de périodes nécessaires à faire diminuer lactivité dun facteur 2. 1.4. Calculer le nombre de périodes nécessaires à faire diminuer lactivité dun facteur 16. 1.5. Calculer lactivité dune source de Co-60 (T=5.26 années) après 2 ans dutilisation, sachant que son activité initiale est de 300 TBq. 1.6. Une solution à injecter de Tc-99m (T=6.02 heures) doit être préparée pour 11:30 et doit contenir à cette heure 100 MBq. On effectue la préparation en prélevant à 10:00 à partir dune solution dactivité spécifique de 70 MBq/ml à 8:00. Calculer le volume à prélever. 1.7. Peut-on trouver, dans la carte des nucléides, un émetteur bêta moins aboutissant directement sur un émetteur bêta plus ? 1.8. Quelle est lénergie du rayonnement gamma émis lors de la désintégration du Ra-226. De quel nucléide émerge ce rayonnement ? 1.9. Indiquer le nombre total moyen de photons émis lors de 1000 désintégrations du Co-60.1.10. Sachant que lénergie de liaison des électrons de la couche K du Ba-137 est de 37.4 keV, calculer lénergie cinétique des électrons de conversion K, lors de la désintégration du Cs- 137.1.11. Sur 1000 désintégrations du Cs-137, combien en moyenne aboutissent à lémission dun photon de 660 keV ?Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -23- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  24. 24. Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -24- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  25. 25. CHAPITRE II.2 SOURCES RADIOACTIVES Objectifs du chapitre • Connaître la provenance des sources radioactives naturelles. • Citer les différents modes de production de sources radioactives artificielles. • Expliquer les concepts dactivation, de fission et de filiation radioactive. • Connaître les grandeurs décrivant une source radioactive scellée et non scellée. • Citer les principales applications des sources radioactives.2. Sources radioactivesEquation Section (Next)1. Radioactivité naturelle1.1. Formation des nucléidesSelon la théorie actuelle, lUnivers, entièrement constitué dénergie, a commencé à sematérialiser sous la forme de particules élémentaires comme les électrons, les protons ou lesneutrons, quelques fractions de seconde après le big-bang il y a environ 15 milliards dannées.Les premiers noyaux se formèrent ensuite par les rencontres aléatoires de protons et de neutrons.Après environ trois minutes, une partie des neutrons disponibles se sont liés aux protons afin deformer successivement des noyaux de deutérium (H-2) et dhélium-4 (He-4). Le reste desneutrons sest transformé en un proton, un électron et un anti-neutrino par désintégration bêtamoins4. Dès ce moment-là, lUnivers était constitué de protons (H-1), dhélium et de deutériumdans les proportions suivantes : 1 noyau dhélium pour 15 dhydrogène, et 15 noyaux dedeutérium par million de noyaux dhydrogène. Figure 2.1 - Formation de noyaux lourds à lintérieur dune étoile.Il a fallu ensuite attendre environ 600000 ans pour que les électrons se lient aux noyaux pourformer les premiers atomes. Dès ce moment-là, et sous leffet de la force gravitationnelle, lesatomes commencèrent à se condenser. La pression et la température ont augmenté jusquàpermettre les première fusions nucléaires des noyaux dhydrogène en deutérium et en hélium :4 La période du neutron hors dun noyau est de 10.6 minutes.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -25- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  26. 26. les premières étoiles étaient nées. Le fonctionnement dune étoile est complexe, mais poursimplifier, disons quelle comporte principalement trois phases : une phase de compression, unephase stationnaire, et une phase dexpansion.La phase de compression rassemble la matière dans un volume suffisamment petit pourpermettre les réactions de fusion. Dans la phase stationnaire (dans laquelle se trouve le soleilactuellement), létoile ne change quasiment pas de taille et les mécanismes de fusion synthétisentdes noyaux de masse plus élevées. Lorsque les processus de fusion ne peuvent plus êtreentretenus, létoile peut se condenser énormément et se transformer en trou noir, ou se dilaterplus ou moins violemment5.La phase dexpansion aboutit ainsi à la dispersion déléments plus lourds dans lUnivers. Lagamme de nucléides à disposition pour la formation des futures étoiles sest ainsi enrichie.1.2. Radionucléides terrestres1.2.1. Origine des nucléides terrestresLes nucléides composant notre planète ont en grande partie été formés à loccasion dun ouplusieurs cycles stellaires, et se sont condensés il y a environ 4 à 5 milliards dannées. Dès cemoment-là, la Terre était constituée dune multitude de nucléides dont une proportion plusimportante que maintenant était radioactive. Les désintégrations de ces radionucléides originelsont abouti à la composition terrestre actuelle. On estime que la radioactivité totale de la Terreproduit la moitié des quelques 42 1012 W dorigine interne de notre planète.1.2.2. Familles radioactivesLes radionucléides naturels de nombre de masse élevé peuvent être classés selon leur familleradioactive. Une famille radioactive est lensemble des nucléides découlant des désintégrationssuccessives dun noyau mère donné. Il existe quatre familles radioactives naturelles qui sedistinguent par le nombre de masse (modulo 4) du noyau mère. Leurs principalescaractéristiques sont données au Tableau 2.1.En plus des quatre familles radioactives naturelles, il existe un radionucléide de faible nombre demasse dont la période est suffisamment longue pour être encore présent sur la Terre à lheureactuelle. Il sagit du potassium-40 (K-40) dont les caractéristiques sont données au Tableau 2.2. Tableau 2.1 - Les quatre familles radioactives naturelles se distinguent par le nombre de masse (modulo 4) du premier élément. On constate que seule la famille 4n+1 ne comprend pas disotope du radon et ne se termine pas par un isotope du plomb. Le dernier élément de chaque famille est stable. Nom de la famille Premier élément Période [ans] Radon Dernier élément 4 n (n=58) Th-232 1.39 1010 Rn-220 Pb-208 4 n + 1 (n=60) Pu-241 14.4 - Bi-209 9 4 n + 2 (n=59) U-238 4.51 10 Rn-222 Pb-206 4 n + 3 (n=58) U-235 7.13 108 Rn-219 Pb-2071.2.3. Rayonnement cosmique et radioactivité induite naturellementLe rayonnement cosmique a une origine galactique (étoiles à forte activité, explosions desupernovae, rayonnement des pulsars) et une origine extra-galactique.5 Lorsque lexpansion de létoile se déroule violemment sous la forme dune gigantesque explosion, on parle desuper-nova.Radiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -26- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008
  27. 27. Le système solaire est continuellement bombardé par des particules chargées de haute énergiesans doute produites lors déruptions de type solaires dans notre galaxie : protons (85%),particules alphas (12%), électrons (2%) et ions lourds (1%). Leur trajectoire est déviée par leschamps magnétiques solaires et terrestres ainsi que par le vent solaire. Ces particules constituentune composante stable et essentielle du rayonnement cosmique dit primaire. Lautrecomposante, en provenance du Soleil est générée par les perturbations magnétiques qui existentà la surface du Soleil (éruptions solaires). Cest le vent solaire (constitué de protons pour laplupart), dont lintensité varie avec lactivité solaire selon un cycle de 11 ans.En pénétrant dans latmosphère, les particules primaires incidentes interagissent avec lesconstituants de lair en donnant un ensemble complexe de particules secondaires (protons,neutrons, …) et de photons. Ces particules interagissent à leur tour pour donner des phénomènesde cascade nucléonique dans latmosphère. Compte tenu de leur absence de charge et de leurplus long libre parcours moyen, les neutrons deviennent prédominants à mesure que progresse lacascade.Les deux principaux radionucléides créés dans latmosphère sont le tritium (H-3) et le carbone-14 (C-14) dont les caractéristiques sont données au Tableau 2.2. Le tritium utilisé par l’homme,principalement dans la peinture luminescente des montres, n’est pas extrait de l’atmosphère,mais produit artificiellement. Le C-14 est présent en quantité infime par rapport au C-12 danslatmosphère. Néanmoins, sa présence permet la datation des végétaux. Tableau 2.2 - Caractéristiques des trois isotopes naturels du potassium (K) ainsi que du tritium (H-3) et du carbone-14 (C-14) (référence : http://www.dne.bnl.gov). Isotope Abondance [%] Période [ans] Désintégration Occurrence [%] Nucléide fille K-39 93.2581 stable - - - K-41 6.7302 stable - - - β- 9 K-40 0.0117 1.277 10 89.28 Ca-40 EC 10.72 Ar-40 H-3 12.33 β- 100 He-3 β -10 - C-14 1.3 10 * 5730 100 N-14 *Dans latmosphère2. Radioactivité artificielleLes radionucléides peuvent également être produits artificiellement à partir dautres nucléides.Trois mécanismes sont à la base de leur production et de leur mise à disposition des utilisateurs :l’activation, la fission et la filiation.2.1. ActivationL’activation consiste à bombarder une substance à l’aide de particules de haute énergie et àinduire ainsi des réactions nucléaires dont les noyaux sortants sont radioactifs. On distinguel’activation aux neutrons et celle aux particules chargées.2.1.1. Activation aux neutronsLactivation aux neutrons a lieu dans un réacteur nucléaire où les flux neutroniques sont trèsélevés. On y place un nucléide donné dans le faisceau de neutrons qui peuvent être absorbés parle noyau, formant ainsi un nouveau noyau qui peut être radioactif. Les noyaux obtenus par cetteméthode sont riches en neutrons et se désintègrent généralement par émission β-. Citons à titreRadiophysique Vol. II - Bases radiophysiques -27- IRA / HECVSanté TRM - Décembre 2008

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