Fiche de révision : Rayonnements et imagerie

📋 Plan du Cours

1. Nature et catégories des rayonnements
2. Ondes et célérité
3. Ondes périodiques
4. Ondes mécaniques et électromagnétiques
5. Rayonnements corpusculaires et ionisants
6. Interactions avec la matière
7. Principes des techniques d’imagerie
8. Photon et dualité onde-corpuscule

📖 1. Nature et catégories des rayonnements

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement : Mode de transport de l’énergie, comme si de minuscules paquets d’énergie voyageaient dans l’espace sous forme d’ondes ou de particules.

📝 Points essentiels

📌 Les rayonnements se répartissent en rayonnements ondulatoires, électromagnétiques ou mécaniques, et en rayonnements corpusculaires composés de particules.

💡 Astuce mémo

Ondes ou particules : deux modes de transport de l’énergie

📖 2. Ondes et célérité

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde : Propagation d’un signal dans un milieu matériel ou immatériel, appelé milieu de propagation, sans déplacement de matière.
• Célérité : Vitesse de propagation dans ce milieu.

📝 Points essentiels

• Des exemples d’ondes sont:

  • l’onde à la surface de l’eau
  • l’onde sonore
  • la 4G
  • la vibration d’une corde de guitare

• Dans le vide, la célérité des ondes lumineuses vaut $v=c=3{,}00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$, tandis que celle du son dans l’air à 15 °C et 1 atm vaut 340 m/s.

📖 3. Ondes périodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde périodique : Si la perturbation en un point du milieu se reproduit de façon identique à intervalles de temps égaux.
• Période : La plus petite durée au bout de laquelle un point du milieu repasse par les mêmes états vibratoires, avec la même position et le même sens de variation.
• Fréquence : Nombre de répétitions d’un phénomène périodique en une seconde et elle est imposée par la source.
• Longueur d’onde : Distance séparant deux points consécutifs du milieu qui vibrent en phase et correspond aussi à la distance parcourue par l’onde pendant une période.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La fréquence et la période sont reliées par $\nu=f=\frac{1}{T}$.

📐 Formule — Pour une onde se déplaçant à célérité constante, les relations sont $\lambda=vT=\frac{v}{\nu}$ et $v=\lambda\nu$.

💡 Astuce mémo

Période → fréquence → longueur d’onde

📖 4. Ondes mécaniques et électromagnétiques

★ À maîtriser

📌 Une onde mécanique nécessite un milieu matériel pour se propager, alors qu’une onde électromagnétique peut se propager dans le vide comme dans un milieu matériel.

Compléments

• Dans le vide, une onde électromagnétique se propage à la célérité $c=3{,}00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$, et dans les autres milieux sa célérité est inférieure à c.

• Le domaine des longueurs d’onde de la lumière visible est compris entre 100 nm et 800 nm.

📌 Un faisceau monochromatique contient des radiations de même longueur d’onde et de même fréquence, tandis qu’un faisceau polychromatique contient des radiations de fréquences différentes.

💡 Astuce mémo

Mécanique : milieu matériel ; électromagnétique : vide possible

📖 5. Rayonnements corpusculaires et ionisants

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement corpusculaire : Composé de particules, par exemple des protons ou des électrons utilisés en radiothérapie.
• Rayonnement ionisant : Possède suffisamment d’énergie pour arracher un ou plusieurs électrons aux atomes de la matière traversée et les transformer en ions.

📝 Points essentiels

• Les rayonnements ionisants cités sont:
  • les rayons X
  • les rayons γ
  • les protons
  • les électrons

💡 Astuce mémo

Énergie suffisante → arrachement d’électrons → ions

📖 6. Interactions avec la matière

📝 Points essentiels

• Lorsqu’un rayonnement atteint la matière, il peut être:
  • transmis
  • diffusé
  • absorbé
  • rétrodiffusé

📌 La proportion de transmission, diffusion, absorption et rétrodiffusion dépend de l’énergie et de la nature du rayonnement ainsi que de la nature de la matière traversée.

💡 Astuce mémo

T-D-A-R : transmission, diffusion, absorption, rétrodiffusion

📖 7. Principes des techniques d’imagerie

★ À maîtriser

• 🔄 En radiographie aux rayons X: les rayons sont produits à l’extérieur du patient, ils interagissent avec les électrons, ils interagissent avec la matière humaine, le détecteur forme l’image radiologique

• En imagerie nucléaire, un radionucléide injecté produit les rayons à l’intérieur du patient, puis l’image est formée par l’analyse des directions des rayons émis.

Compléments

• En échographie, une sonde produit des ondes qui se réfléchissent sur une cible et l’image est formée par l’analyse des ondes réfléchies.

💡 Astuce mémo

Rayonnement extrinsèque en radiographie, émission interne en imagerie nucléaire

📖 8. Photon et dualité onde-corpuscule

★ À maîtriser

• En 1905, Einstein propose que les ondes électromagnétiques soient constituées de particules sans masse appelées photons, se déplaçant dans le vide à la vitesse de la lumière et transportant des paquets d’énergie.

📐 Formule — L’énergie d’un photon est donnée par $E_{photon}=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$.

📌 Un photon se comporte comme une onde ou comme une particule selon les conditions d’observation, mais il est décrit comme un objet quantique appelé quanton.

Compléments

• La constante de Planck vaut $h=6{,}63\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}$, la célérité de la lumière dans le vide vaut $c=3{,}00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$, et 1 eV vaut $1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{J}$.

• Le domaine généralement indiqué pour les longueurs d’onde des rayons X est compris entre 0,01 nm et 10 nm, tandis que celui des rayons γ est inférieur à 0,1 nm.

💡 Astuce mémo

Longueur d’onde plus petite → énergie photonique plus grande

📊 Tableaux de synthèse

Types d’ondes