Fiche de révision : Rayonnements ionisants et applications médicales

📋 Plan du Cours

1. Découvertes des rayons X et radioactivité
2. Nature et ionisation des rayonnements
3. Atome, isotopes et radioactivité
4. Ondes électromagnétiques et photons
5. Production des rayons X
6. Production des rayons gamma
7. Atténuation des rayons X et gamma
8. Interactions des photons avec la matière
9. Imagerie par rayons X
10. Radiothérapie par rayons X
11. Applications médicales des rayons gamma

📖 1. Découvertes des rayons X et radioactivité

★ À maîtriser

• En 1895, Röntgen découvre les rayons X après avoir observé la fluorescence d’un écran éloigné du tube de Crookes modifié.

• Becquerel constate que des sels d’uranium placés à l’abri de la lumière impriment une plaque photographique, ce qui révèle une émission spontanée de rayonnements.

Compléments

• Dans le tube de Crookes, une différence de potentiel accélère des électrons de la cathode négative vers l’anode positive.

• La première radiographie réalisée par Röntgen en 1895 représente la main de sa femme.

💡 Astuce mémo

Crookes produit les électrons, Röntgen découvre les X, Becquerel révèle la radioactivité spontanée.

📖 2. Nature et ionisation des rayonnements

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement : Processus d’émission ou de transmission d’énergie sous forme de particules ou d’ondes.
• Rayonnement ionisant : Possède une énergie suffisante pour arracher un électron au cortège électronique d’un atome.

★ À maîtriser

📌 Les ondes électromagnétiques, contrairement aux ondes mécaniques, peuvent se propager dans le vide.

• Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie minimale indiquée pour créer des ions est supérieure à 13,6 eV.

Compléments

• Les rayonnements employés en radiothérapie comprennent :
  • les rayons X
  • les rayons gamma
  • les électrons
  • les protons
  • les particules alpha

💡 Astuce mémo

Les ondes mécaniques exigent un milieu ; les ondes électromagnétiques traversent aussi le vide.

📖 3. Atome, isotopes et radioactivité

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité naturelle : Transformation spontanée de noyaux atomiques instables en d’autres atomes, avec émission simultanée de particules et d’énergie.

★ À maîtriser

📌 Dans un atome neutre, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons, alors que les isotopes d’un même élément ont le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents.

📐 Formule - Le nombre de masse vérifie $A=Z+N$, où $Z$ est le nombre de protons et $N$ le nombre de neutrons.

• L’activité radioactive est le nombre de désintégrations par seconde et se mesure en becquerels, avec $1\,\mathrm{Bq}=1$ désintégration par seconde.

Compléments

• Un atome mesure environ $10^{-10}\,\mathrm{m}$ et son noyau environ $10^{-15}\,\mathrm{m}$.

• Le carbone 12 contient 6 protons et 6 neutrons, tandis que le carbone 14 contient 6 protons et 8 neutrons et est radioactif.

💡 Astuce mémo

Instabilité du noyau → désintégration spontanée et émission de particules et d’énergie.

📖 4. Ondes électromagnétiques et photons

★ À maîtriser

📐 Formule - La célérité, la longueur d’onde et la période sont reliées par $c=\frac{\lambda}{T}$, et la fréquence vérifie $\nu=\frac{1}{T}=\frac{c}{\lambda}$.

📐 Formule - L’énergie d’un photon vérifie $E=h\nu$, où $h$ est la constante de Planck.

📌 Quand la fréquence augmente, l’énergie augmente et la longueur d’onde diminue, selon $E=h\nu$ et $\nu=\frac{c}{\lambda}$.

Compléments

• Dans le vide, la célérité des rayonnements électromagnétiques est d’environ $3\times10^{8}\,\mathrm{m\,s^{-1}}$.

• Le domaine visible s’étend approximativement de 400 à 800 nm, et les rayons X et gamma sont des rayonnements de fréquence élevée et de longueur d’onde faible.

💡 Astuce mémo

Fréquence et énergie augmentent ensemble, tandis que la longueur d’onde diminue.

📖 5. Production des rayons X

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement de freinage : Rayonnement électromagnétique émis lorsque des électrons sont ralentis ou déviés par le champ électrostatique des noyaux de la cible.

★ À maîtriser

• Dans un tube à rayons X, les électrons sont produits, accélérés par une tension puis envoyés sur une cible, où leur interaction produit des rayons X.

• Le rayonnement de freinage constitue le mécanisme majoritaire de production des rayons X et son rendement est d’environ 1 %, le reste de l’énergie étant principalement dissipé en chaleur.

• Après l’expulsion d’un électron d’une couche interne, un électron externe comble la lacune et émet un rayon X dont l’énergie correspond à la différence entre les niveaux électroniques.

📌 Le spectre des rayons X associe un rayonnement de freinage continu à des raies caractéristiques propres au matériau de la cible.

• L’intensité du courant détermine le nombre de photons émis, tandis que la tension détermine l’énergie maximale des photons.

Compléments

• Le rendement du rayonnement de freinage augmente avec la tension appliquée et le numéro atomique de la cible, selon une relation approximative proportionnelle à $U\,Z\times10^{-6}$.

💡 Astuce mémo

Freinage des électrons → spectre continu ; réarrangement électronique → raies caractéristiques.

📖 6. Production des rayons gamma

★ À maîtriser

📌 Les rayons X et gamma ont des gammes d’énergie, des mécanismes d’interaction avec la matière et des effets biologiques similaires, mais leur origine diffère.

📌 Les rayons X ont une origine extranucléaire liée au cortège électronique ou à l’interaction électron-noyau, tandis que les rayons gamma proviennent d’une désexcitation nucléaire.

Compléments

• Le technétium 99m est un radionucléide métastable utilisé en scintigraphie et émet notamment un photon gamma de 140 keV utilisé en imagerie.

• Une émission gamma peut suivre une autre désintégration : le cobalt 60 émet d’abord un rayonnement bêta moins, puis deux photons gamma, avant de devenir du nickel 60.

💡 Astuce mémo

Rayons X extranucléaires, rayons gamma issus des transitions nucléaires.

📖 7. Atténuation des rayons X et gamma

★ À maîtriser

📐 Formule - L’intensité transmise par une épaisseur homogène vérifie $I=I_0e^{-\mu x}$, où $I_0$ est l’intensité incidente, $x$ l’épaisseur et $\mu$ le coefficient d’atténuation linéique.

• Le coefficient d’atténuation linéique dépend de l’énergie du rayonnement, du numéro atomique et de la masse volumique du milieu.

📌 L’atténuation augmente avec l’épaisseur, le numéro atomique et la masse volumique du matériau, mais diminue lorsque l’énergie des photons augmente.

📐 Formule - La couche de demi-atténuation vérifie $\mathrm{CDA}=\frac{\ln 2}{\mu}$ et réduit l’intensité du faisceau à la moitié de sa valeur initiale.

Compléments

📐 Formule - Le coefficient d’atténuation massique est le rapport $\frac{\mu}{\rho}$, où $\rho$ est la masse volumique.

💡 Astuce mémo

Épaisseur, densité ou Z augmentent → atténuation augmente.

📖 8. Interactions des photons avec la matière

★ À maîtriser

📌 L’absorption supprime le photon incident sans faisceau transmis, la transmission conserve l’énergie du photon transmis et la diffusion modifie sa direction et réduit son énergie.

• L’effet photoélectrique absorbe le photon en transférant toute son énergie à un électron qui est éjecté, et il prédomine aux faibles énergies.

• Lors de l’effet Compton, le photon cède une partie de son énergie à un électron, qui est éjecté, puis le photon est dévié et peut être rétrodiffusé.

• La création de paires convertit un photon au voisinage d’un noyau en un électron et un positon lorsque son énergie dépasse 1022 keV.

Compléments

📐 Formule - Le bilan des photons vérifie $N_0-N_t=N_a+N_d$, où les photons non transmis ont été absorbés ou diffusés.

📐 Formule - La probabilité de l’effet photoélectrique varie approximativement comme $\frac{Z^4}{E^{3{,}5}}$, ce qui indique une hausse avec Z et une baisse avec l’énergie.

• Dans les tissus mous de numéro atomique effectif 7,5, l’effet Compton prédomine à partir d’environ 28 keV.

💡 Astuce mémo

Photoélectrique absorbe le photon ; Compton le diffuse en lui faisant perdre de l’énergie.

📖 9. Imagerie par rayons X

★ À maîtriser

• En radiologie conventionnelle, les rayons X traversent le patient et les détecteurs enregistrent leur intensité transmise pour former une radiographie.

• Le contraste radiographique dépend de l’atténuation des rayons X dans les structures traversées.

• En tomodensitométrie, le tube à rayons X et les détecteurs tournent autour du patient immobile, puis les mesures réalisées selon différentes incidences sont reconstruites en image tridimensionnelle.

Compléments

• Une énergie de rayons X inadaptée à la structure ciblée peut rendre l’image inexploitable.

📖 10. Radiothérapie par rayons X

★ À maîtriser

• En radiothérapie externe, un accélérateur linéaire accélère des électrons jusqu’à des énergies de 4 à 25 MeV, puis leur impact sur une cible produit des rayons X thérapeutiques.

• En radiothérapie externe, les électrons accélérés frappent une cible de tungstène, produisent des rayons X, puis un collimateur adapte le faisceau à la tumeur.

📌 L’objectif de la radiothérapie est de délivrer une dose maximale à la tumeur tout en limitant l’irradiation des tissus sains.

Compléments

• Le CyberKnife dirige depuis plusieurs incidences des faisceaux focalisés vers la lésion et sa précision est inférieure à 1 mm.

• La tomothérapie fait tourner l’accélérateur pour moduler l’intensité du faisceau et mieux préserver les tissus sains.

💡 Astuce mémo

Des faisceaux convergent sur la tumeur tandis que les tissus sains sont épargnés.

📖 11. Applications médicales des rayons gamma

🔑 Notions clés & Définitions

• Traceur radiopharmaceutique : Associe un marqueur émetteur gamma à un vecteur qui cible la fonction biologique à observer.

• Curiethérapie : Traite une tumeur depuis l’intérieur du patient au moyen d’une source radioactive scellée introduite à proximité de la lésion.

★ À maîtriser

• En scintigraphie, un traceur radiopharmaceutique est administré puis une gamma-caméra cartographie sa distribution dans l’organisme.

Compléments

• Le diphosphonate associé au technétium 99m se fixe aux os car il participe au processus de fabrication osseuse.

• Le Gamma Knife traite des tumeurs cérébrales en faisant converger les rayonnements de 200 micro-sources de cobalt 60 vers une lésion.

• En curiethérapie, l’iridium 192 émet des rayons gamma de 320 keV et a une demi-vie de 74 jours, tandis que l’iode 125 émet des rayons gamma de 35 keV sur une période de 60 jours.

💡 Astuce mémo

Traceur gamma pour imager ; source radioactive ciblée pour traiter.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des rayons X et gamma