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Chapitre 9 : Médecine nucléaire

Le noyau atomique

L’atome est constitué d’un noyau (+) entouré d’électrons (-), l’ensemble étant électriquement neutre.

Représentation symbolique du noyau d'un atome X

N = A – Z donne le nombre de neutrons.

Remarque : un électron étant près de 2000 fois plus léger qu’un proton ou un neutron, on considère que l’essentielle de la masse d’un atome est dans le noyau. => on appelle parfois A le nombre de masse.

On appelle élément chimique, l’ensemble des entités chimiques (atomes ou ions) ayant même numéro atomique Z.

Deux noyaux sont dits isotopes lorsqu’ils ont le même numéro atomique Z mais un nombre de masse A différents.

Exemple :

Résultats de recherche d'images pour « isotope carbone »

Un grand nombre d'isotopes n'est pas stable. Ces noyaux se désintègrent spontanément avec formation d'une particule.

Différents type de désintégrations radioactives

Pour les noyaux lourds : il sera radioactif α et émettra une particule α. Il se transforme en un noyau fils qui a 4 nucléons dont 2 protons de moins que le noyau père. L'élément fils se trouve donc 2 cases avant l'élément père dans la classification périodique des éléments.

Particule alpha ou hélion ou noyau d'hélium 4 (2 protons et 2 neutrons)

L'équation nucléaire générale est la suivante:

par exemple l'isotope 210 du polonium devient du plomb 206:

ou encore

Loi de conservation du nombre de nucléons: le nombre total de nucléons est le même à gauche et à droite de la flèche, soit, pour l'exemple suivant ( 238 = 234 + 4 )

Loi de conservation de la charge: (92 = 90 + 2 ) dans l'exemple suivant

Ces 2 lois s'appellent les lois de Soddy.

Pour les noyaux ayant trop de neutrons : Radioactivité β-

Exemple : Résultats de recherche d'images pour « equation beta- »

Pour les noyaux ayant trop de protrons : Radioactivité β+

Exemple : Résultats de recherche d'images pour « equation beta+ »

Photon γ :

Considérons la désintégration radioactive d'un noyau X en son noyau fils Y. Il est assez fréquent que le noyau fils soit produit non pas à l'état fondamental, c'est-à-dire à son état de plus basse énergie, mais dans un état excité. On notera Y*

Lorsque le noyau fils Y est produit à l'état excité, il se désexcite pour revenir à son état fondamental en émettant un photon de haute énergie appelé photon gamma.

L'émission γ peut accompagner tout type de désintégration radioactive. Selon l'énergie de l'état excité, la désexcitation vers le fondamental peut se produire en une ou en plusieurs étapes, autrement dit il peut y avoir émission d'un ou plusieurs photons γ.

Résultats de recherche d'images pour « desexcitation gamma »

L'activité d'un échantillon radioactif

On appelle activité A le nombre de désintégrations par seconde. Elle s'exprime en becquerels ( symbole Bq; 1 Bq = 1 désintégration par seconde ). Elle est proportionnelle au nombre N de noyaux non encore désintégrés.

La période ou temps de demi-vie t1/2 est la durée au bout de laquelle la population a diminué de moitié:

Résultats de recherche d'images pour « désintégrations radioactives »

De manière générale, au bout de n demi-vies, l’activité initiale notée A₀ est divisée par 2ⁿ, soit : A = A₀/2ⁿ

^{On considère qu'il n'y a plus de radioactivité au bout de 20 demi-vies.}

^{Utilisation en médecine}

Doses et radioprotection

La dose absorbée D est la première dose introduite dans l'histoire de la radioprotection et de la médecine nucléaire car les physiciens étaient capables d'estimer les énergies absorbées provenant de leurs sources radioactives ou appareils à rayons X. Ainsi, la dose absorbée D (en Gray, Gy) correspond l'énergie E déposée par unité de masse m, soit D=E/m donc 1 Gy = 1 J/kg.

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On s'aperçut dans les années 1950, à l'occasion d'irradiations où étaient mélangés des photons et des neutrons, qu'un " gray " de neutrons était environ dix fois plus cancérigène qu'un « gray » de photons. Ceci conduisit à multiplier par 10 la dose dans le cas des neutrons et à appeler la nouvelle quantité " dose équivalente ".

La dose équivalente H est égale au produit de la dose absorbée moyenne dans l'organe, ou dans le tissu, par un nombre - un facteur de pondération - qui tient compte de la nature du rayonnement (photons, électrons, neutrons, alpha). Elle se mesure en Sievert (Sv).