Fiche de révision : Rayonnements ionisants

📋 Plan du Cours

1. Découverte des rayons X
2. Radioactivité et radionucléides
3. Définition de l’ionisation
4. Structure et évolution radioactive
5. Caractéristiques des rayonnements électromagnétiques
6. Production et spectre des rayons X
7. Origine des rayons gamma
8. Atténuation des rayons X et gamma
9. Interactions avec la matière
10. Applications médicales

📖 1. Découverte des rayons X

★ À maîtriser

• 🔄 La production historique des rayons X comprend: la production d’électrons, leur accélération par une différence de potentiel, leur interaction avec une cible

• Dans le tube de Crookes, les électrons arrachés à la cathode négative sont accélérés vers l’anode positive et ceux qui atteignent la paroi fluorescente produisent une lumière par fluorescence.

• En 1895, Röntgen découvre les rayons X en observant qu’un écran fluorescent continue de s’illuminer à distance du tube, malgré l’arrêt rapide des rayons cathodiques par la matière.

Compléments

• La première radiographie de la main de la femme de Röntgen montre que les rayons X sont davantage arrêtés par les matériaux denses, comme le métal et l’os, que par les tissus mous.

💡 Astuce mémo

Électrons → cible → rayons X

📖 2. Radioactivité et radionucléides

🔑 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

• En 1896, Becquerel découvre la radioactivité naturelle en constatant que des sels d’uranium impressionnent une plaque photographique même sans exposition au soleil.

• Le becquerel, noté Bq, est l’unité du nombre de désintégrations nucléaires par seconde.

Compléments

• Le carbone 14 est un radio-isotope possédant six protons et huit neutrons, avec une demi-vie de 5700 ans.

💡 Astuce mémo

Noyau instable → désintégration → rayonnement

📖 3. Définition de l’ionisation

🔑 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 et créer un ion.

★ À maîtriser

• Dans le corps humain, le seuil de référence de l’ionisation est l’énergie de liaison de l’électron de l’hydrogène, soit 13,6 eV.

Compléments

📌 Les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans le vide, tandis que les ondes mécaniques nécessitent un milieu matériel.

💡 Astuce mémo

Onde mécanique dans la matière, onde électromagnétique dans le vide

📖 4. Structure et évolution radioactive

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotope : Atomes possédant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour un noyau, le nombre de masse vérifie $A = Z + N$, où Z est le nombre de protons et N le nombre de neutrons.

📐 Formule — L’activité radioactive est donnée par $A(t)=\lambda N(t)$ et se mesure en becquerels, correspondant au nombre de désintégrations par seconde.

📐 Formule — Le nombre de noyaux décroît selon $N(t)=N_0e^{-\lambda t}$ et l’activité selon $A(t)=A_0e^{-\lambda t}$.

📐 Formule — La demi-vie d’un isotope vérifie $T_{1/2}=\frac{\ln 2}{\lambda}$ et correspond au temps nécessaire pour diviser par deux le nombre initial de noyaux.

💡 Astuce mémo

Excès de protons → β+, excès de neutrons → β−

📖 5. Caractéristiques des rayonnements électromagnétiques

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour une onde électromagnétique, la célérité, la longueur d’onde et la fréquence vérifient $c=\lambda\nu$, avec une célérité dans le vide de $3\times10^8\,m.s^{-1}$.

📐 Formule — L’énergie d’un photon vérifie $E=h\nu$, donc elle est proportionnelle à sa fréquence.

• Les rayons X et gamma ont une fréquence et une énergie élevées ainsi qu’une faible longueur d’onde, ce qui leur permet d’être ionisants.

📌 Les rayons X et les rayons gamma ont les mêmes gammes d’énergie, mécanismes d’interaction et effets biologiques, mais les rayons X sont d’origine extranucléaire tandis que les rayons gamma sont d’origine nucléaire.

💡 Astuce mémo

Fréquence ↑ → énergie ↑ → longueur d’onde ↓

📖 6. Production et spectre des rayons X

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement de freinage : Rayonnement X produit lorsqu’un électron est dévié et ralenti par le champ électrostatique du noyau d’un atome de la cible.

📝 Points essentiels

• 🔄 Dans un tube de Coolidge, les électrons sont: produits, accélérés vers une cible, convertis en rayons X lors de leur interaction avec cette cible

• Le rendement du tube à rayons X est faible : environ 1 % de l’énergie des électrons est convertie en rayons X et environ 99 % est dissipée sous forme de chaleur.

• 🔄 Le rayonnement caractéristique apparaît lorsque: un électron incident expulse un électron d’une couche interne, un électron externe comble la lacune, un photon X d’énergie définie est émis

📌 Dans un tube à rayons X, l’intensité du courant détermine le nombre de photons émis, tandis que la tension détermine l’énergie maximale des photons.

💡 Astuce mémo

Freinage continu, fluorescence en raies

📖 7. Origine des rayons gamma

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayon gamma : Émis lors de la désexcitation d’un noyau atomique qui passe d’un niveau d’énergie élevé à un niveau plus bas.

★ À maîtriser

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

Compléments

• Une émission gamma peut survenir directement lors de la désexcitation d’un noyau métastable ou immédiatement après une autre désintégration dans une cascade.

💡 Astuce mémo

Rayons X extranucléaires, rayons γ nucléaires

📖 8. Atténuation des rayons X et gamma

🔑 Notions clés & Définitions

• Atténuation : Diminution de l’intensité d’un faisceau de rayons X ou gamma après sa traversée de la matière.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’intensité transmise vérifie $I_{transmis}=I_0e^{-\mu x}$, où μ est le coefficient d’atténuation linéique et x l’épaisseur traversée.

• L’atténuation augmente lorsque l’épaisseur, le numéro atomique Z ou la masse volumique du matériau augmente, et diminue lorsque l’énergie des photons augmente.

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

💡 Astuce mémo

Épaisseur, Z ou masse volumique ↑ → atténuation ↑

📖 9. Interactions avec la matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet photoélectrique : Absorption complète d’un photon qui cède toute son énergie à un électron éjecté du milieu.
• Effet Compton : Diffusion dans laquelle le photon cède une partie de son énergie à un électron éjecté puis ressort dévié avec une énergie moindre.

📝 Points essentiels

📌 L’absorption supprime le photon incident, la transmission conserve son énergie et la diffusion laisse subsister un photon de moindre énergie et de direction différente.

📐 Formule — La probabilité de l’effet photoélectrique varie approximativement comme $\frac{Z^4}{E^{3{,}5}}$ : elle augmente avec Z et diminue avec l’énergie E.

• La création de paires transforme l’énergie d’un photon en une paire électron-positon et nécessite une énergie supérieure à 1022 keV.

💡 Astuce mémo

Photoélectrique aux faibles énergies, Compton au milieu, paires aux hautes énergies

📖 10. Applications médicales

★ À maîtriser

• 🔄 En radiographie conventionnelle:

  1. un tube produit des rayons X
  2. les rayons X traversent le patient
  3. un détecteur mesure l’intensité transmise
  4. l’image est formée

• 🔄 En tomodensitométrie: le tube et les détecteurs tournent autour du patient, plusieurs projections sont acquises, une image en trois dimensions est reconstruite

📌 La radiothérapie externe utilise un accélérateur linéaire pour produire des rayons X énergétiques et délivrer une dose maximale à la tumeur tout en limitant l’irradiation des tissus sains.

• 🔄 En imagerie scintigraphique: un marqueur émetteur gamma est associé à un vecteur, le vecteur cible la fonction ou le tissu à observer, une gamma-caméra cartographie la distribution

Compléments

• Le CyberKnife concentre plusieurs faisceaux sur une lésion avec une précision inférieure à 1 mm, tandis que la tomothérapie fait tourner l’accélérateur pour mieux conformer l’intensité du faisceau.

• La curiethérapie utilise une source radioactive scellée introduite directement dans la tumeur, par exemple de l’iridium 192 émettant des rayons gamma de 320 keV ou de l’iode 125 émettant des rayons gamma de 35 keV.

💡 Astuce mémo

Imagerie pour voir, radiothérapie pour détruire

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des rayons X et gamma