Fiche de révision : Interactions des rayonnements

📋 Plan du Cours

1. Rayonnement ionisant et cascade temporelle
2. Énergie et unités de mesure
3. Effets physiques fondamentaux
4. Ionisation directe et indirecte
5. Interactions des électrons
6. Particules chargées lourdes : les alpha
7. Interactions des neutrons
8. Photons X et gamma
9. L’effet Compton
10. Matérialisation et transmission des photons
11. Radiolyse de l’eau et action biologique
12. Notation des espèces réactives
13. Mécanismes de radiolyse de l’eau
14. Devenir des radicaux libres

📖 1. Rayonnement ionisant et cascade temporelle

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement ionisant : Rayonnement qui transporte une énergie supérieure à 10 eV, suffisante pour arracher des électrons aux atomes de la matière traversée.

📝 Points essentiels

• Après irradiation, la cascade comprend les étapes physique, physico-chimique, chimique puis biologique, dont les durées vont d’environ 10⁻¹⁵ s pour l’étape physique à des dizaines d’années pour certaines conséquences biologiques.

• Le rayonnement ionisant cède de l’énergie à la matière et peut provoquer des effets physiques, puis chimiques, puis biologiques.

💡 Astuce mémo

Physique → physico-chimique → chimique → biologique

📖 2. Énergie et unités de mesure

★ À maîtriser

• $1\ \mathrm{eV}=1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{J}$, $1\ \mathrm{keV}=10^3\ \mathrm{eV}$ et $1\ \mathrm{MeV}=10^6\ \mathrm{eV}$.

Compléments

• Dans le Système international, l’énergie se mesure en joules, tandis que l’électronvolt est couramment utilisé à l’échelle atomique et moléculaire.

• Les photons X utilisés en radiologie conventionnelle et en scanner, avec une tension de 40 à 150 kV, ont une énergie moyenne de quelques dizaines de keV.

• Le photon γ du technétium 99m utilisé en scintigraphie a une énergie de 140 keV.

• Les photons d’annihilation utilisés en TEP ont une énergie de 511 keV.

• Les faisceaux de photons d’un accélérateur de radiothérapie, avec une tension de 6 à 25 MV, ont une énergie de quelques MeV.

📖 3. Effets physiques fondamentaux

★ À maîtriser

📌 L’ionisation survient lorsque l’énergie cédée dépasse l’énergie de liaison d’un électron, qui est arraché et produit un ion positif et un électron libre constituant une paire d’ions.

• Lors d’une excitation, l’énergie cédée ne suffit pas à arracher l’électron mais le fait passer à un niveau d’énergie supérieur ; l’atome revient ensuite à son état fondamental en restituant l’énergie excédentaire, par exemple sous forme de photon.

Compléments

• Un transfert thermique se produit lorsque l’énergie cédée est insuffisante pour exciter l’atome ; elle augmente l’énergie cinétique de translation, de rotation et de vibration, ce qui échauffe légèrement la matière.

• Les effets physiques apparaissent en environ 10⁻¹⁵ s et comprennent les ionisations, les excitations et les transferts thermiques.

💡 Astuce mémo

Ionisation arrache l’électron, excitation le déplace, transfert thermique l’agite

📖 4. Ionisation directe et indirecte

📝 Points essentiels

📌 Les rayonnements directement ionisants sont des particules chargées — électrons, positons, particules α et protons — qui provoquent elles-mêmes des ionisations par forces électriques.

📌 Les rayonnements indirectement ionisants sont les photons X et γ et les neutrons, qui transfèrent leur énergie à des particules chargées du milieu, notamment des électrons ou des protons, lesquelles provoquent l’essentiel des ionisations.

💡 Astuce mémo

Chargé : ionise directement ; neutre : met en mouvement des particules chargées secondaires

📖 5. Interactions des électrons

★ À maîtriser

• Par collision, un électron incident repousse un électron atomique du milieu et lui cède une partie de son énergie, provoquant l’excitation ou l’ionisation de l’atome.

• 🔄 Le rayonnement de freinage se déroule ainsi :

  1. L’électron passe près d’un noyau positif.
  2. Le champ électrique du noyau attire et dévie l’électron.
  3. L’électron perd de l’énergie, restituée sous forme d’un photon.

• Dans un tube à rayons X, des électrons accélérés sont freinés dans l’anode en tungstène et produisent des photons X ; ce phénomène est appelé Bremsstrahlung en allemand.

Compléments

• Les électrons sont des particules légères chargées négativement, notamment les électrons β⁻ émis par un radionucléide, les électrons d’un faisceau de radiothérapie et ceux mis en mouvement par des photons.

• Les électrons primaires perdent progressivement leur énergie en interagissant directement avec les électrons ou les noyaux du milieu.

• Un électron arraché qui possède assez d’énergie peut provoquer d’autres ionisations ; il est alors appelé électron secondaire.

• Comme l’électron est très léger, il est fortement dévié à chaque interaction, suit une trajectoire sinueuse en zigzag et parcourt quelques millimètres à quelques centimètres dans les tissus selon son énergie.

📖 6. Particules chargées lourdes : les alpha

🔑 Notions clés & Définitions

• Particule alpha : Une particule alpha est un noyau d’hélium composé de 2 protons et de 2 neutrons, porteur de deux charges positives et environ 7 300 fois plus lourd qu’un électron.

★ À maîtriser

• Dans l’eau ou les tissus, le parcours d’une particule alpha ne dépasse pas quelques dizaines de micromètres, soit quelques cellules, tandis qu’il atteint quelques centimètres dans l’air ; une feuille de papier ou la couche superficielle de la peau suffit à l’arrêter.

• La particule alpha produit une densité d’ionisations très élevée sur son parcours, caractérisée par un TEL élevé.

📌 Une source alpha extérieure au corps est peu dangereuse, tandis qu’un radionucléide émetteur alpha incorporé par inhalation ou ingestion constitue un risque majeur de contamination interne, car il dépose son énergie dans un très petit volume de tissu.

Compléments

• La particule alpha suit une trajectoire rectiligne, car sa masse élevée la rend pratiquement insensible aux déviations lors de ses interactions avec les électrons.

• 🔄 La fin du parcours d’une particule alpha comprend :

  1. La particule perd son énergie cinétique par collisions successives.
  2. Une fois arrêtée, elle capte deux électrons libres.
  3. Elle devient un atome d’hélium.

• La radiothérapie interne vectorisée par des émetteurs alpha exploite leur dépôt d’énergie localisé ; le radium 223 est cité pour le traitement des métastases osseuses.

📖 7. Interactions des neutrons

★ À maîtriser

• Le neutron, dépourvu de charge, interagit avec les noyaux des atomes plutôt qu’avec les électrons du cortège atomique.

📌 La probabilité d’absorption d’un neutron est inversement proportionnelle à sa vitesse : plus le neutron est lent, plus sa capture par un noyau est probable.

• Lors d’une diffusion élastique, un neutron rapide heurte un noyau, est dévié et lui transfère sous forme d’énergie cinétique l’énergie qu’il perd.

📌 Les neutrons rapides d’énergie supérieure à 1 keV interagissent principalement par diffusion élastique, tandis que les neutrons lents d’énergie inférieure à 1 keV peuvent être capturés par un noyau.

• La capture d’un neutron par un noyau est une réaction nucléaire qui forme un noyau instable, souvent radioactif, puis conduit soit à une émission radiative de particules ou de photons gamma, soit à une fission pour certains noyaux lourds.

Compléments

• Dans les tissus riches en hydrogène, le noyau heurté par un neutron rapide est le plus souvent un proton, dont la masse est voisine de celle du neutron, ce qui permet un transfert d’énergie maximal.

• Le proton de recul issu de la diffusion d’un neutron est chargé, est mis en mouvement et ionise les atomes du milieu ; les neutrons sont donc indirectement ionisants.

• Les matériaux riches en hydrogène efficaces pour ralentir les neutrons sont :

  • l’eau
  • le polyéthylène
  • le béton

• Sous l’impact d’un neutron, certains noyaux lourds, notamment l’uranium 235 et le plutonium 239, se scindent en deux noyaux plus petits et libèrent une grande quantité d’énergie, principalement sous forme de chaleur, ainsi que de nouveaux neutrons.

• La fission de l’uranium 235 ou du plutonium 239 est le principe des réacteurs de centrales nucléaires et de certains réacteurs produisant des radionucléides médicaux ; le molybdène 99, père du technétium 99m, est un produit de fission.

📌 Un photon de très haute énergie, au-delà d’environ 8 à 10 MeV, peut être absorbé par un noyau qui expulse alors un neutron ; cette réaction est appelée réaction photonucléaire.

• En radiothérapie, les faisceaux de photons d’énergie égale ou supérieure à 10 MV, par exemple 18 MV, produisent des neutrons dans la tête de l’accélérateur et dans le patient.

• La production de neutrons par les faisceaux de photons de haute énergie justifie l’emploi de matériaux spécifiques, comme le béton épais et le polyéthylène boré, dans les bunkers et leurs portes ; certaines pièces de l’accélérateur peuvent aussi devenir légèrement radioactives par activation.

💡 Astuce mémo

Neutron rapide : diffusion ; neutron lent : capture.

📖 8. Photons X et gamma

★ À maîtriser

• Les photons X et gamma sont dépourvus de masse et de charge ; dans un milieu matériel, ils peuvent provoquer un effet photoélectrique, un effet Compton, un effet de matérialisation ou ne provoquer aucune interaction et ressortir inchangés.

• Dans les interactions des photons avec la matière, l’essentiel des ionisations est provoqué par les électrons mis en mouvement par les photons ; les photons sont donc indirectement ionisants.

• Lors de l’effet photoélectrique, un photon transmet toute son énergie à un électron fortement lié d’une couche interne, souvent la couche K, l’éjecte comme photoélectron et disparaît par absorption totale.

📐 Formule - Lors de l’effet photoélectrique, l’énergie cinétique du photoélectron vérifie $E_{c}=E_{photon}-E_{liaison}$.

• L’effet photoélectrique prédomine pour les photons de 0,01 à 0,1 MeV (10 à 100 keV).

• La probabilité de l’effet photoélectrique varie environ comme Z³ et diminue fortement lorsque l’énergie du photon augmente.

• En radiologie, l’os absorbe davantage de photons que les tissus mous par effet photoélectrique et apparaît blanc sur l’image ; les produits de contraste iodés (Z = 53) et barytés (Z = 56) utilisent le même principe.

Compléments

• L’énergie du photon incident détermine principalement le type d’interaction photon-matière, tandis que la nature du milieu traversé, notamment son numéro atomique Z, joue un rôle moindre.

📌 Contrairement aux particules chargées, un photon interagit une seule fois ou très peu de fois, de façon aléatoire, sans parcours défini ; un faisceau de photons est progressivement atténué par la matière sans jamais être totalement arrêté.

• Après l’éjection d’un électron interne par effet photoélectrique, un électron d’une couche externe comble la vacance ; l’énergie libérée est émise sous forme d’un photon de fluorescence, ou photon X caractéristique, ou transmise à un électron périphérique éjecté, appelé électron Auger.

• Le plomb (Z = 82) est efficace dans les tabliers, les paravents et les vitres plombées grâce à l’effet photoélectrique.

• En radiologie de basse énergie, notamment en mammographie, l’effet photoélectrique contribue fortement à la dose du patient, car toute l’énergie du photon absorbé y est déposée.

💡 Astuce mémo

Z élevé → absorption photoélectrique renforcée

📖 9. L’effet Compton

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet Compton : Collision entre un photon et un électron faiblement lié, situé sur une couche externe et assimilable à un électron libre au repos.

★ À maîtriser

• Lors d’un effet Compton, le photon cède une partie de son énergie à l’électron éjecté, puis est diffusé avec une direction modifiée, une longueur d’onde augmentée et une énergie diminuée.

• L’effet Compton prédomine entre 0,1 et 10 MeV et dépend surtout du nombre d’électrons par unité de volume, qui est voisin d’un tissu à l’autre, plutôt que du numéro atomique.

Compléments

📐 Formule - Lors d’un effet Compton, l’énergie du photon incident est égale à l’énergie du photon diffusé plus l’énergie cinétique de l’électron Compton, l’énergie de liaison étant négligée : $E_{\mathrm{incident}}=E_{\mathrm{diffusé}}+E_{\mathrm{cinétique}}$.

• Le rayonnement diffusé par effet Compton dégrade l’image en créant un voile et une perte de contraste, ce qui motive l’usage d’une grille anti-diffusion.

• En radiologie interventionnelle, au bloc opératoire et au scanner, le patient devient la principale source d’exposition du personnel par le rayonnement diffusé qu’il émet.

• L’effet Compton domine dans les tissus en scintigraphie avec des photons de 140 keV et en radiothérapie externe avec des photons de quelques MeV ; en radiothérapie, l’absorption est à peu près la même dans l’os et les tissus mous.

💡 Astuce mémo

Photon absorbé en photoélectrique, diffusé en Compton

📖 10. Matérialisation et transmission des photons

★ À maîtriser

• Dans le champ électrique d’un noyau, un photon suffisamment énergétique disparaît en créant une paire de particules de charges opposées : un électron et un positon.

📐 Formule - La création d’une paire exige une énergie incidente supérieure au seuil $E_{\mathrm{seuil}}=2\times0{,}511\ \mathrm{MeV}=1{,}022\ \mathrm{MeV}$.

• Après avoir été ralenti, le positon s’annihile avec un électron du milieu et les deux masses sont converties en deux photons de 511 keV émis dans des directions opposées.

• Un photon peut traverser un milieu sans interagir et en sortir avec la même énergie et la même direction ; les photons transmis atteignent le détecteur et contribuent à former l’image radiologique.

Compléments

• Au-delà du seuil de création de paires, l’énergie excédentaire du photon est partagée entre l’électron et le positon sous forme d’énergie cinétique, et ces deux particules ionisent le milieu.

• La matérialisation devient prépondérante au-delà d’environ 18 MeV et concerne en pratique les faisceaux de radiothérapie de haute énergie, pas la radiologie diagnostique, dont les photons n’atteignent pas 1,022 MeV.

💡 Astuce mémo

Paire créée → positon ralenti → annihilation en deux photons opposés

📖 11. Radiolyse de l’eau et action biologique

🔑 Notions clés & Définitions

• Radiolyse de l’eau : Rupture par les radiations des liaisons covalentes de H₂O et déclenchement des réactions chimiques qui produisent les produits de radiolyse.
• Radical libre : Atome ou molécule, électriquement neutre ou non, qui possède un électron célibataire non apparié sur sa couche externe.

★ À maîtriser

📌 L’action directe dépose l’énergie du rayonnement ou de l’électron sur la molécule cible, tandis que l’action indirecte dépose l’énergie dans l’eau voisine, dont les produits de radiolyse attaquent ensuite la cible.

• Pour les rayonnements à faible TEL utilisés dans la plupart des examens et traitements, notamment les photons X et γ et les électrons, l’action indirecte représente environ les deux tiers des lésions de l’ADN.

Compléments

• L’eau représente environ 70 % de la masse d’une cellule et reçoit donc le plus souvent l’énergie déposée par un rayonnement dans cette cellule.

• L’électron célibataire rend le radical libre extrêmement réactif et lui confère une durée de vie très brève ; les radicaux sont notés avec un point, comme H

• et OH

• .

📖 12. Notation des espèces réactives

★ À maîtriser

📌 OH• est un radical hydroxyle neutre avec un électron célibataire, OH⁻ est un ion hydroxyde négatif dont les électrons sont appariés, et H₂O* désigne une molécule d’eau excitée.

Compléments

• Le point dans H

• ou OH

• représente l’électron célibataire ; certains documents notent les radicaux H* et OH*, tandis que la notation utilisée ici emploie un point.

💡 Astuce mémo

OH• porte un électron célibataire ; OH⁻ porte une charge négative.

📖 13. Mécanismes de radiolyse de l’eau

★ À maîtriser

📌 La radiolyse par excitation apporte à H₂O assez d’énergie pour l’exciter sans l’ioniser, tandis que la radiolyse par ionisation arrache un électron à H₂O.

📐 Formule - Lors de la radiolyse par excitation, $\mathrm{H_2O \rightarrow H_2O^*}$ puis $\mathrm{H_2O^* \rightarrow H^\bullet + OH^\bullet}$.

📐 Formule - Lors de la radiolyse par ionisation, $\mathrm{H_2O \rightarrow H_2O^+ + e^-}$, puis $\mathrm{H_2O^+ \rightarrow H^+ + OH^\bullet}$ et $\mathrm{e^- + H_2O \rightarrow H^\bullet + OH^-}$.

Compléments

• La rupture de la liaison O–H lors de la radiolyse par excitation est homolytique : chaque radical emporte un électron de la paire partagée.

📐 Formule - Le bilan de la radiolyse par ionisation de deux molécules d’eau est $\mathrm{2H_2O \rightarrow H^+ + OH^- + H^\bullet + OH^\bullet}$.

• H

• est un puissant réducteur, tandis que OH

• est un puissant oxydant et le radical le plus nocif pour l’ADN.

• Dans un complément décrivant une voie possible, l’électron arraché peut s’entourer de molécules d’eau pour former un électron hydraté e⁻aq, lui aussi très réducteur.

💡 Astuce mémo

Excitation : H₂O* ; ionisation : H₂O⁺ et e⁻.

📖 14. Devenir des radicaux libres

★ À maîtriser

• Les radicaux libres ont une durée de vie de l’ordre de la nanoseconde à la microseconde.

📐 Formule - Les radicaux peuvent se recombiner en formant de l’eau, du peroxyde d’hydrogène oxydant ou du dihydrogène : $\mathrm{H^\bullet + OH^\bullet \rightarrow H_2O}$, $\mathrm{OH^\bullet + OH^\bullet \rightarrow H_2O_2}$ et $\mathrm{H^\bullet + H^\bullet \rightarrow H_2}$.

• Les radicaux libres peuvent attaquer les molécules biologiques voisines :
  • l’ADN
  • les protéines
  • les lipides membranaires

Compléments

📐 Formule - En milieu bien oxygéné, le radical hydrogène réagit avec l’oxygène dissous pour former le radical hydroperoxyle : $\mathrm{H^\bullet + O_2 \rightarrow HO_2^\bullet}$.

• La réaction des radicaux avec l’oxygène forme de nouvelles espèces réactives de l’oxygène et amplifie les dégâts ; une tumeur hypoxique est plus radiorésistante.

💡 Astuce mémo

Radicaux : recombinaison, réaction avec O₂, attaque des molécules biologiques.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des interactions photon-matière

Radiolyse par excitation et ionisation