Fiche de révision : Radioactivité et effets biologiques

📋 Plan du Cours

1. Rayonnements et ionisation
2. Interactions des électrons
3. Parcours et positons
4. Interactions photon-matière
5. Atténuation des photons
6. Neutrons et dose absorbée
7. Lésions moléculaires et ADN
8. Radiosensibilité et évaluation
9. Effets déterministes
10. Effets stochastiques

📖 1. Rayonnements et ionisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement électromagnétique : Mode de transport spontané de l’énergie dans l’espace sous forme de photons sans masse au repos.
• Rayonnement ionisant : Rayonnement susceptible d’arracher des électrons à la matière lorsque l’énergie cédée dépasse l’énergie de liaison minimale des électrons.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’énergie cinétique transportée par un photon vérifie $E=h\nu$, où h est la constante de Planck et ν la fréquence du rayonnement.

📌 L’excitation transfère une énergie inférieure à l’énergie de liaison et déplace un électron vers une couche moins liée, tandis que l’ionisation transfère une énergie supérieure et expulse l’électron.

Compléments

• Les rayons ultraviolets les plus énergétiques peuvent être ionisants.

💡 Astuce mémo

Excitation : énergie inférieure à la liaison ; ionisation : énergie supérieure

📖 2. Interactions des électrons

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement de freinage : Rayonnement X produit lorsqu’un électron est dévié par le noyau et perd une partie de son énergie sous forme de photons.
• Transfert linéique d’énergie : Énergie moyenne transférée par les électrons à la matière cible par unité de longueur de trajectoire, exprimée en keV.cm⁻¹ ou MeV.cm⁻¹.
• Densité linéique d’ionisation : Nombre de paires d’ions créées par une particule incidente et par unité de longueur de trajectoire.

📝 Points essentiels

• Lors d’une collision électron-électron, l’électron incident transfère une partie de son énergie cinétique à un électron cible, ce qui peut produire une excitation ou une ionisation.

💡 Astuce mémo

Ralentissement de l’électron → transferts d’énergie → ionisations

📖 3. Parcours et positons

★ À maîtriser

📌 Le parcours est la longueur réelle de la trajectoire d’un rayonnement dans la matière, tandis que la portée est la profondeur maximale atteinte par le faisceau.

• Lors d’une annihilation, un positon et un électron disparaissent en produisant deux photons gamma de même énergie émis en sens opposés.

• La dose absorbée par les particules alpha est maximale en fin de parcours, au niveau du pic de Bragg.

Compléments

• Dans les tissus mous, la portée des électrons bêta est d’environ 1 cm, tandis que leur portée dans l’air est de quelques mètres.

• Les particules alpha ont une trajectoire très courte et quasi rectiligne, une portée de quelques centimètres dans l’air et de quelques dizaines de micromètres dans les tissus mous.

💡 Astuce mémo

Parcours = longueur réelle ; portée = profondeur maximale

📖 4. Interactions photon-matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet photoélectrique : Interaction dans laquelle le photon incident transfère toute son énergie à un électron, qui est expulsé avec une énergie cinétique vérifiant $E_c=E_i-E_l$.
• Effet Compton : Interaction dans laquelle l’énergie du photon incident est partagée entre l’électron expulsé et un photon diffusé selon $E_i=E_c+E_{photon\ diffusé}$.

★ À maîtriser

• La production de paires correspond à la disparition d’un photon au voisinage du noyau avec création d’un électron et d’un positon lorsque son énergie dépasse 1,022 MeV.

Compléments

• La diffusion Thomson-Rayleigh dévie le photon sans échange d’énergie avec la matière.

💡 Astuce mémo

PEC : Photoélectrique, Compton, Création de paires

📖 5. Atténuation des photons

🔑 Notions clés & Définitions

• Couche de demi-atténuation : Épaisseur de matériau nécessaire pour atténuer de 50 % le rayonnement initial.

★ À maîtriser

• Dans l’eau, l’effet photoélectrique prédomine sous 50 keV, l’effet Compton entre 50 keV et 20 MeV, et la production de paires au-dessus de 20 MeV.

📐 Formule — L’atténuation d’un faisceau de photons suit la loi exponentielle $N(x)=N_0e^{-\mu x}$, où μ est le coefficient d’atténuation linéique en cm⁻¹.

Compléments

• Le coefficient photoélectrique diminue approximativement comme 1/E³ avec l’énergie, croît approximativement comme Z³ avec le numéro atomique et est proportionnel à la masse volumique.

💡 Astuce mémo

Interaction → disparition du photon → atténuation du faisceau

📖 6. Neutrons et dose absorbée

🔑 Notions clés & Définitions

• Dose absorbée : Quantité d’énergie cédée par unité de masse de matière exposée aux rayonnements et s’exprime en gray, avec $1\,Gy=1\,J.kg^{-1}=100\,rad$.
• Débit de dose absorbée : Dose absorbée par unité de temps et s’exprime en Gy.s⁻¹ ou en Gy.h⁻¹.

📝 Points essentiels

📌 Un neutron est absorbé lorsqu’il disparaît après interaction avec le noyau, tandis qu’il est diffusé lorsque son énergie diminue sans disparaître.

💡 Astuce mémo

Neutron : absorption avec disparition ou diffusion avec perte d’énergie

📖 7. Lésions moléculaires et ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Radical libre : Fragment moléculaire comportant un électron célibataire, ce qui lui confère une grande réactivité chimique.

📝 Points essentiels

• La radiolyse de l’eau produit des radicaux réactifs, notamment HO· oxydant, H· réducteur et l’électron solvaté réducteur, qui peuvent se recombiner ou modifier des molécules de soluté.

• Les rayonnements ionisants peuvent provoquer dans l’ADN des ruptures simples ou doubles brins, des ponts entre les chaînes et la destruction ou modification des bases.

📌 La nécrose entraîne l’éclatement cellulaire et une réaction inflammatoire, tandis que l’apoptose correspond à une fragmentation cellulaire en éléments non agressifs pour le milieu.

💡 Astuce mémo

Ionisation de l’eau → radicaux libres → lésions biologiques

📖 8. Radiosensibilité et évaluation

🔑 Notions clés & Définitions

• Efficacité biologique relative : Rapport des doses nécessaires de deux rayonnements pour produire le même effet biologique dans des conditions d’irradiation et pour un effet étudié définis.
• Dose équivalente : Tient compte de la dose absorbée et de la nature du rayonnement, s’exprime en sievert et sert à estimer la probabilité d’effets stochastiques.
• Dose efficace : Somme des doses équivalentes délivrées à chaque organe, pondérées par la sensibilité tissulaire, et s’exprime en sievert.

📝 Points essentiels

• Selon la loi biologique de Bergonié-Tribondeau, une cellule jeune, peu différenciée et à forte activité mitotique est plus radiosensible.

• Les facteurs de pondération radiologique indiqués sont:

  • Rayons X et γ : 1
  • Électrons, sauf Auger : 1
  • Particules alpha et noyaux lourds : 20
  • Protons : 5
  • Neutrons : 5 à 20 selon l’énergie

💡 Astuce mémo

Dose absorbée → dose équivalente → dose efficace

📖 9. Effets déterministes

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet déterministe : Résulte de la mort d’un grand nombre de cellules, apparaît au-dessus d’une dose seuil et devient plus grave lorsque la dose augmente.

📝 Points essentiels

• Une irradiation de la peau provoque une érythème et une desquamation vers 5 Gy, puis une épidermite exsudative avec ulcération au-dessus de 10 Gy.

• Lors d’une irradiation globale aiguë, une dose supérieure à 1 Gy atteint les cellules souches sanguines, une dose supérieure à 6 Gy atteint aussi la muqueuse intestinale et une dose supérieure à 10 Gy atteint le cerveau et est mortelle.

• La dose létale 50 est de 4,5 Gy environ pour une irradiation aiguë moyenne du corps entier sans traitement.

💡 Astuce mémo

Seuil et gravité croissante distinguent les effets déterministes

📖 10. Effets stochastiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet stochastique : Résulte de lésions non ou mal réparées de l’ADN, apparaît seulement chez certains sujets, et sa probabilité augmente avec la dose sans que sa gravité dépende de celle-ci.

★ À maîtriser

• Le risque de cancer augmente de manière significative après une dose supérieure à 200 mSv, surtout au-dessus de 500 mSv, tandis que les effets restent débattus pour les doses inférieures à 100 mSv.

Compléments

• La période de latence des leucémies myéloïdes et des ostéosarcomes est d’environ 2 ans, tandis qu’elle est de 5 à 10 ans pour les autres cancers.

• Aucun excès d’effets héréditaires n’a été mis en évidence jusqu’à présent dans les données disponibles.

• Après l’accident de Tchernobyl, environ 5000 cancers de la thyroïde ont été observés depuis 1986 chez des enfants de moins de 14 ans exposés à environ 2 Sv ou davantage à la thyroïde, et 9 enfants en sont morts.

💡 Astuce mémo

Déterministe : gravité liée à la dose ; stochastique : probabilité liée à la dose

📊 Tableaux de synthèse

Effets déterministes et stochastiques