1. Retour sur les différentes formes de radioactivité
• Radioactivité β- : émission d’un électron
La radioactivité β- affecte les nucléides X présentant un excès de neutrons ; lors de cette désintégration, il y a émission d’un électron −10e et d'un antineutrino (antiparticule associée au neutrino)
• Le rayonnement E est moyennement pénétrant, arrêté par une feuille d’aluminium de quelques mm d’épaisseur.
• Son pouvoir d’ionisation est moyen.
• Réaction isobarique puisque A n’est pas modifié
• Les particules β- et ν se partagent de manière aléatoire l’énergie E de la réaction, d’où un spectre d’émission continu : il s’étend de 0 quand ν emporte toute l’énergie, jusqu’à E quand ν n’emporte aucune énergie
• Applications médicales : mise en évidence de métastase à traiter (ex : cancer thyroïdien) Condition d’émission de la radioactivité β- :
• la réaction β- n'a lieu que si la différence de masse entre atome-père et atome-fils > 0
• la réaction β- n'a lieu que si la différence énergétique entre atome-père et atome-fils > 0
• Radioactivité β+ : émission d’un positron (ou positon)
La radioactivité β+ affecte les nucléides X présentant un excès de protons ; lors de cette désintégration, il y a émission d’un positron +10e et d'un neutrino
• Réaction isobarique puisque A n’est pas modifié
• La radioactivité β+ ne concerne que les noyaux artificiels, ce sont des particules à durée de vie très courte.
• Ainsi que le rayonnement β- , le rayonnement β+ est moyennement pénétrant, arrêté par une feuille d’aluminium de quelques mm d’épaisseur.
• Son pouvoir d’ionisation est moyen.
• Deux particules, +10e et ν se partagent de façon aléatoire l’énergie émise : spectre continu Le positon émis entre en contact avec les électrons du milieu extérieur : il s’annihile avec un électron :
La matière disparaît, au profit de deux photons : énergie de 0,511 MeV chacun et émis à 180° l’un de l’autre ⟹ la double émission γ est caractéristique du β+
Condition d’émission de la radioactivité β+ :
• la réaction β+ n'a lieu que si la différence de masse entre atome-père et atome-fils > 2 m(e-)
• la réaction β+ n'a lieu que si la différence énergétique entre atome-père et atome-fils > 1,022 MeV
• Capture électronique CE
Processus qui conduit au même élément-fils que le β+
Si la condition ΔM.c² > 1,022 MeV n’est pas respectée, la CE peut éventuellement avoir lieu .
Elle intervient lorsqu’un noyau capture un électron de son propre cortège électronique : un proton du noyau réagit alors avec cet électron, transmutant celui-ci en un neutron. Il y a également toujours formation d’un neutrino :
Pour un atome donné :
La vacance laissée par l’électron provoque un réarrangement de tout le cortège électronique ⟹effet Auger et émission de photons de fluorescence Application médicale : dosages hormonaux, curiethérapie (traitement tumeurs prostate)
• Radioactivité α: émission d’un noyau d'Helium
• Radioactivité naturelle ou induite concernant les noyaux lourds (A > 80)
• Pouvoir de pénétration faible : ce sont des particules facilement arrêtées par quelques cm d’air ou une feuille de papier.
• Du fait de leur taille et de leur double charge positive, le rayonnement α est le plus ionisant
• Toutes les particules α émises ont la même énergie.
• Pas d’application médicale de la radioactivité α
• L’énergie des particules α est quantifiée (cf mécanique quantique) : spectre de raies
Condition d’émission de la radioactivité α :
la réaction α n'a lieu que si la différence de masse entre atome-père et atomes-fils > 0
• Radioactivité γ
Le noyau-fils est émis dans un état d’énergie excité : lors de la désexcitation de ce noyau, l’excédent d’énergie se libère sous forme de rayonnement électromagnétique, correspondant à l’émission de photons de très haute fréquence : c’est donc un rayonnement très énergétique
• Le rayonnement γ est très pénétrant, il faut une forte épaisseur de béton (plusieurs mètres) ou de plomb (quelques cm) pour s’en protéger.
• Bien qu’il soit moins ionisant que les rayonnements β, son très fort pouvoir de pénétration le rend particulièrement dangereux pour les organismes vivants.
• L’énergie des particules γ est quantifiée (cf mécanique quantique) ⟹spectre de raies caractéristiques de l’élément radioactif
« Radioactivité γ pure » : la radioactivité peut également survenir lors d’une transition isomérique ; les isomères nucléaires, très instables, « retombent » sur le nucléide stable (état énergétique fondamental) émettant des photons énergétiques (rayons X ou rayons γ)
Ex : le technétium 99m 99mTc est très utilisé en médecine pour son émission de photons de 143 keV correspondant aux rayons X employés usuellement en radiologie
Conversion interne (CI) : dans certains cas, le photon émis lors de la désexcitation communique son énergie à un électron du cortège électronique, qui est expulsé ⟹il s’ensuit un réarrangement du cortège électronique pour combler la lacune de l’électron éjecté (émission de photons de fluorescence (photons X) ou d’un électron Auger ⟹spectre à la fois continu et de raies d’énergie.
Application : scintigraphie par γ caméra
La médecine nucléaire utilise des isotopes radioactifs pour l’exploration de l’organisme humain. La scintigraphie consiste à injecter (le plus souvent par voie veineuse) un isotope radioactif (le traceur) qui se fixe dans la partie à explorer et émet un rayonnement gamma à l’extérieur que l’on peut détecter grâce à une caméra à scintillation
⟹la γ caméra permet ainsi la localisation spatiale des photons émis par l'organe cible
Les isotopes utilisés sont l'iode 131I pour l’exploration fonctionnelle de la thyroïde et surtout le technétium 99Tc dont l’intérêt est sa courte période (T = 6,02 h) ce qui minimise les équivalents de dose administrée.
• Modes / Schéma de désintégration
Certains noyaux ont plusieurs modes possibles de désintégration. Par exemple : le 64Cu se désintègre soit par émission β- ou β+ , soit par capture électronique CE.
Le schéma de désintégration d'une substance radioactive est une représentation graphique de toutes les transitions de cette désintégration, et de leurs relations. Les niveaux d'énergie des noyaux père et fils y sont représentés par des traits horizontaux.
2. Décroissance radioactive
Les noyaux radioactifs n’ont pas toujours la même capacité de désintégration ; on constate que certains mettent beaucoup de temps, d’autres très peu.
Ce qui caractérise la propension d’un nucléide radioactif à se désintégrer, c’est sa constante radioactive λ.
λ représente « la probabilité qu’un noyau se désintègre dans la seconde à venir » Pendant la durée Δt cette probabilité devient donc : λ Δt
Pour une population de N noyaux radioactifs, on aura donc dN = - λ dt x N (signe – car le nombre de noyaux diminue au cours du temps) Equation différentielle régissant la variation du nombre de noyaux radioactifs au cours du temps :
dN
dt =−λ N
La solution de cette équation différentielle donne la Loi de Décroissance radioactive : N(t)=N0e−λt
N(t) représente le nombre de noyaux radioactifs présents a l’instant t, et non le nombre de noyaux désintégrés.
Période radioactive T ou temps de demi-vie
Période radioactive T , ou temps de demi-vie , : durée au bout de laquelle la moitié des noyaux radioactifs initialement présents se sont désintégrés.
On a donc N(T)=N0
2 =N0e−λT d'où
T=ln 2 λ
Constante de temps τ
τ=1 λ On a aussi T=τ.ln 2
Activité radioactive
L’activité moyenne a d’un échantillon radioactif est le nombre moyen de désintégrations qui se produisent par seconde : A(t)=−dN
dt
Unité = Becquerel : 1 Bq = 1 désintégration/s Loi de l'activité A(t)=A0e−λt
• A(t) peut également être vue comme une « vitesse de désintégration »
• Une autre définition de la demi-vie peut donc être : durée au bout de laquelle l’activité initiale d’un échantillon a été divisée par 2
