Fiche de révision : Interactions des rayonnements ionisants

📋 Plan du Cours

1. Nature et usages des rayonnements ionisants
2. Origine et transfert d’énergie
3. Excitation des atomes
4. Ionisation des atomes
5. Caractère ionisant des rayonnements
6. Réarrangements atomiques
7. Atténuation des photons
8. Couche de demi-atténuation
9. Effets d’interaction photonique
10. Interactions des neutrons
11. Particules chargées et pic de Bragg
12. Interactions des électrons
13. Dépôt d’énergie et effets biologiques

📖 1. Nature et usages des rayonnements ionisants

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement ionisant : Rayonnement électromagnétique ou particulaire capable d’interagir directement ou indirectement avec les atomes et de créer des ions.

★ À maîtriser

• Les rayonnements ionisants sont utilisés pour le diagnostic par imagerie, notamment avec le scanner et la tomographie par émission de positons, ainsi que pour le traitement par radiothérapie.

📌 Les effets déterministes nécessitent un seuil de rayonnement pour provoquer une destruction cellulaire, tandis que les effets stochastiques comme les mutations ou les cancers peuvent survenir avec de faibles quantités de rayonnements ionisants.

Compléments

• Le 18-FDG est une molécule de glucose liée à un fluor radioactif émetteur de particules β+ utilisée en tomographie par émission de positons.

💡 Astuce mémo

Diagnostic : le rayonnement sort ; thérapie : le rayonnement s’arrête dans la tumeur

📖 2. Origine et transfert d’énergie

📝 Points essentiels

📌 Les rayons X proviennent de l’extérieur du noyau, tandis que les rayons gamma sont d’origine nucléaire.

• Lorsqu’un rayonnement traverse la matière, il lui transfère son énergie par:
  • échauffement
  • excitation
  • ionisation

📐 Formule — L’énergie d’un photon est donnée par $E=h\nu$.

💡 Astuce mémo

Rayons X : extérieur du noyau ; rayons gamma : noyau

📖 3. Excitation des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Excitation : Passage d’un électron vers une couche plus énergétique lorsque l’énergie du photon correspond exactement à une différence d’énergies de liaison, sans expulsion de l’électron.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Lors d’une excitation entre les couches i et j, l’énergie absorbée vérifie $E=|W_i|-|W_j|$.

💡 Astuce mémo

Énergie adaptée → changement de couche → atome excité

📖 4. Ionisation des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Ionisation : Expulsion d’un électron hors de l’atome lorsque l’énergie du rayonnement vérifie $h\nu\geq |W_i|$.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’énergie cinétique de l’électron expulsé lors d’une ionisation est $T=h\nu-|W_i|$.

💡 Astuce mémo

Énergie suffisante → électron expulsé → ion formé

📖 5. Caractère ionisant des rayonnements

📝 Points essentiels

📌 Un rayonnement électromagnétique est ionisant si son énergie est supérieure ou égale à 13,6 eV et non ionisant si elle est inférieure ou égale à 13,6 eV.

• Les rayonnements ionisants comprennent:
  • les rayons gamma
  • les rayons X
  • une partie des ultraviolets

📌 Les rayonnements particulaires sont directement ionisants et rapidement arrêtés, tandis que les rayonnements électromagnétiques sont indirectement ionisants et plus pénétrants.

💡 Astuce mémo

Au-dessus de 13,6 eV : ionisant ; au-dessous : non ionisant

📖 6. Réarrangements atomiques

★ À maîtriser

• Après une excitation ou une ionisation, l’atome revient vers son état fondamental lorsqu’un électron comble une vacance électronique et libère l’excès d’énergie.

📌 Le rendement de fluorescence augmente avec le numéro atomique Z, tandis que l’émission Auger est plus probable pour les atomes légers à faible Z.

Compléments

• Lors d’une cascade de réarrangements, la somme des énergies des photons de fluorescence reste égale à l’excès d’énergie initial de l’atome.

💡 Astuce mémo

Atomes lourds : fluorescence ; atomes légers : Auger

📖 7. Atténuation des photons

🔑 Notions clés & Définitions

• Coefficient linéique d’atténuation : Probabilité d’interaction par unité de longueur et possède la dimension inverse d’une longueur.

📝 Points essentiels

📌 Un photon absorbé ne franchit pas la matière, un photon diffusé est dévié et un photon transmis traverse la matière sans interagir.

📐 Formule — Pour un faisceau de photons, le nombre transmis après une épaisseur x vérifie $N(x)=N(0)e^{-\mu x}$.

💡 Astuce mémo

Épaisseur croissante → interactions croissantes → photons transmis décroissants

📖 8. Couche de demi-atténuation

★ À maîtriser

📐 Formule — La couche de demi-atténuation vérifie $\mathrm{CDA}=\frac{\ln 2}{\mu}$ et correspond à l’épaisseur qui divise par deux le flux de photons incident.

Compléments

• Après trois couches de demi-atténuation, le nombre de photons est divisé par huit, et après dix couches de demi-atténuation, le nombre transmis est considéré comme négligeable.

💡 Astuce mémo

Une CDA : moitié ; deux CDA : quart ; trois CDA : huitième

📖 9. Effets d’interaction photonique

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet photoélectrique : Transfert de la totalité de l’énergie du photon incident à un électron, qui est expulsé avec une énergie cinétique $T=h\nu-|W_i|$.
• Effet Compton : Transfert partiel de l’énergie du photon à un électron faiblement lié, le photon restant étant diffusé avec une énergie plus faible.
• Création de paire : Transformation d’un photon très énergétique en un électron et une particule β+ au voisinage d’un noyau lorsque son énergie est supérieure ou égale à 1,022 MeV.

📝 Points essentiels

📌 La probabilité de l’effet photoélectrique augmente avec le numéro atomique et diminue fortement avec l’énergie du photon, tandis que la probabilité Compton est presque indépendante du milieu et diminue avec l’énergie.

💡 Astuce mémo

Photoélectrique : énergie totale ; Compton : énergie partagée ; paire : deux particules

📖 10. Interactions des neutrons

📝 Points essentiels

📌 Les neutrons sont indirectement ionisants car ils sont neutres et interagissent balistiquement avec les noyaux atomiques.

• Les neutrons rapides transfèrent efficacement leur énergie aux noyaux d’hydrogène, tandis que les neutrons lents peuvent être absorbés par les noyaux lors d’une capture nucléaire.

💡 Astuce mémo

Neutrons rapides : diffusion ou proton secondaire ; neutrons lents : capture

📖 11. Particules chargées et pic de Bragg

🔑 Notions clés & Définitions

• Pic de Bragg : Augmentation brutale de la concentration des ionisations lorsque la vitesse d’une particule chargée diminue, suivie d’une chute lorsque son énergie est consommée.

★ À maîtriser

• La protonthérapie utilise le pic de Bragg pour concentrer les ionisations dans une tumeur tout en préservant les tissus situés au-delà.

Compléments

• Dans un exemple de traitement de mélanome choroïdien, des protons de 65 MeV placent le pic de Bragg au niveau de la rétine.

💡 Astuce mémo

Ralentissement du proton → ionisations maximales → pic de Bragg

📖 12. Interactions des électrons

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement de freinage : Émission de photons X produite lorsqu’un électron est dévié et ralenti par l’attraction coulombienne d’un noyau.

📝 Points essentiels

📌 Lors d’une interaction électron-électron, une énergie cinétique suffisante provoque une excitation si elle correspond à une différence d’énergies de liaison ou une ionisation si elle atteint l’énergie de liaison.

📌 Les photons X caractéristiques ont des énergies quantifiées liées aux énergies de liaison des électrons, tandis que les photons de freinage peuvent avoir toutes les énergies entre zéro et l’énergie cinétique initiale de l’électron.

💡 Astuce mémo

Électron-électron : collision ; électron-noyau : freinage

📖 13. Dépôt d’énergie et effets biologiques

📝 Points essentiels

• Les ionisations produites par les rayonnements peuvent provoquer des cassures de l’ADN, puis la réparation, la destruction ou la mutation de la cellule.

📌 Les effets biologiques directs résultent d’une interaction avec l’ADN, tandis que les effets indirects résultent de radicaux libres produits par l’interaction des rayonnements avec l’eau.

💡 Astuce mémo

Ionisations → lésions de l’ADN → réparation, destruction ou mutation

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des principaux rayonnements