TST2S1 - correction cours medecine nucléaire

P 5 : LA MEDECINE NUCLEAIRE

C'est en 1896 que le physicien français Henri Becquerel découvre que des sels d'uranium peuvent voiler des plaques photographiques. Ce phénomène naturel porte le nom de radioactivité.

En étudiant ce phénomène, Pierre et Marie Curie parviennent à isoler deux éléments radioactifs, le radium et le polonium, ce qui leur vaut le prix Nobel de physique en 1903.

En 1934 Irène et Frédéric Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle.

I. Quelques rappels sur les noyaux atomiques.

1. Comment les caractériser ?

Les particules constituant les noyaux sont les nucléons. On en distingue deux types : - les neutrons (n) de charge qn = 0 C (Coulombs)

- les protons (p) de charge qp = +e = 1,6.10^-19C.

La représentation d'un noyau atomique est : X est le symbole du noyau.

Z est le numéro atomique; c'est le nombre de protons A est le nombre de masse; c'est le nombre de nucléons Le nombre de neutrons est donc N = A-Z

Indications : L'atome comporte également Z électrons.

La masse de l'atome est concentrée dans le noyau Activité 1 : Compléter le tableau suivant :

Représentation du noyau

123 I

53

238 U

92

226 Ra

88

222 Rn

86

Nom de l'élément iode uranium radium radon

A : nombre de …

nucléons… 123 238 226 222

Z : nombre de

……protons…… 53 92 88 86

N : nombre de …

neutrons… 70 146 138 136

2. Qu'est-ce qu'un nucléide ?

C'est un ensemble de noyaux identiques (même Z, même A).

Activité 2: Quelle est la constitution du nucléide ¹³₆C : 6protons et 7 neutrons 3. Qu'appelle-t-on isotopes d'un élément ?

Chaque élément est caractérisé par son numéro atomique Z.

Les isotopes d'un élément se distinguent par le nombre de neutrons du noyau (même Z, A différent).

Exemples : Isotopes de l'élément H: ₁¹H, ²₁H et H₁³ ; Isotopes de l'élément C: ¹²₆C, ¹³₆C et ¹⁴₆C Un élément englobe donc plusieurs familles de nucléides.

Z

A

X

II. Qu'est-ce que la radioactivité ? A. Définition.

La radioactivité correspond à la désintégration spontanée et aléatoire de noyaux instables, accompagnée de l'émission de particules , ^-, ⁺ et d'un rayonnement .

Ces désintégrations sont détectables à l'aide d'un compteur Geiger.

B. Les différents types d'émissions radioactives (voir aussi doc 3 p.

78 de votre livre).

1. Deux lois de conservation (dites loi de Soddy).

La désintégration d'un noyau se traduit par une équation du type Z A

Z A

z

X  ^'_'Y  ap

Au cours de cette désintégration il y a :

- conservation du nombre de nucléons, soit A=A’+a - conservation du nombre de charge, soit Z = Z’ +z

2. La radioactivité 

Elle correspond à l'émission de noyaux d'hélium ⁴₂He, appelés particules α.

Elle concerne les noyaux atomiques des éléments lourds (A  200) Equation de la désintégration  : Z

AX ^A-4Z-2Y + 2 4He

Exemples : Complétez les équations suivantes.

88

226Ra ²²²86Rn + ⁴₂He ; ²¹²₈₄Po ²⁰⁸82Pb + ₂⁴He. 3. La radioactivité  ^- .

Elle correspond à l'émission d'électrons, _⁰₁e^ appelés particules ^qui porte une charge égale à –e).

Elle concerne les noyaux atomiques qui possèdent trop de neutrons par rapport au nombre de protons.

Equation de la désintégration ^ : Z

AX ^AZ+1Y + _1 ^ 0e

Exemples : Complétez les équations suivantes :

6

14C ¹⁴7N + _⁰₁e^ ; ₂₇⁶⁰Co ⁶⁰28Ni + _⁰₁e^

4. La radioactivité  ^ .

Elle correspond à l'émission de positons , ⁰₁e^ appelés particules ^qui porte une charge égale à +e).

Elle concerne les noyaux atomiques qui possèdent trop de protons par rapport au nombre de neutrons.

Equation de la désintégration ^ : Z

AX ^A_Z-1Y + 1 0e^

noyau

père noyau

fils particule

Exemple : Complétez l'équation suivante : ₁₅³⁰P ³⁰14Si + ⁰₁e^

Remarque : La radioactivité ^ n'existe que pour des noyaux radioactifs artificiels (préparés par l'homme).

5. La désexcitation.

a) Le rayonnement  .

Les radioactivités  et  s'accompagnent de l'émission d'un noyau fils instable d'énergie supérieure à celle de l'état fondamental, stable. On dit qu'il est dans un état excité Il se note alors ^A_ZY^*.

Le retour d'un noyau excité à l’état fondamental s'accompagne de la libération d'énergie sous forme d'un rayonnement électromagnétique  de très courte longueur d'onde ( < 10^-13 m).

Equation schématique de la désexcitation :

Z

AY^* ^AZY+ γ

Exercice : Complétez l'équation suivante : ²²²₈₆Rn^*  ²²²86Rn + γ

b) Energie du photon associé.

Le rayonnement électromagnétique  présente des propriétés voisines de celles des rayons X durs

(1 pm    10 pm). Il est constitué de photons très énergétiques de fréquence  très élevée de l'ordre de 10²⁰ Hz.

Activité 3 : Répondre aux 3 questions du doc 4 p. 79 de votre livre.

1- λ = c/ν =(3.10⁸)/(4.10²⁰)= 7,5.10^-13 m = 0,75 pm : RX

2- E = h ν = 6,62.10³⁴.4.10²⁰ = 2,65.10^-13 J = (2,65.10^-13)/(1,6.10^-13) = 1,66MeV 3- ⁶⁰28Ni * 60

28Ni + γ

III. Evolution de la radioactivité avec le temps.

1. Définition de l'activité.

L’activité A d'un échantillon radioactif est égal au nombre moyen de désintégrations par seconde.

L'unité d'activité est le becquerel (Bq) 1 Bq = 1 désintégration/s

Remarque : Pour un même type de radioactivité, une source radioactive est d'autant plus dangereuse que son activité est grande.

2. Demi-vie (ou période) d'un échantillon radioactif.

La demi-vie t1/2 (ou T) d'un échantillon radioactif est la durée au bout de laquelle l'activité initiale de l'échantillon est divisée par 2.

E : énergie du noyau état excité

état fondamental Z

A

Y

Z A

Y

Désexcitation 



L'unité S.I. est la seconde (s), mais on utilise souvent d'autres unités.

Exemples: ²¹⁴Po (1,5.10^-4 s); ¹³¹I (8 jours); ¹⁴C (5700 ans); ²³⁵U (7.10⁸ ans)

Activité 4 : Complétez le tableau ci-dessous et tracez la courbe de décroissance radioactive A = f(t).

L'activité ……diminue……… avec le temps : elle …… diminue ……… de moitié à chaque demi- vie. On considère que l'activité d'un échantillon est négligeable au bout d’une durée de 20 demi-vies.

Remarque : L'activité est identique pour chaque unité de masse d'un échantillon radioactif. Si un échantillon contient initialement une masse m0 d'un radionucléide ; au bout d'une durée d'une demi-vie, il contiendra une masse m0/2 de ce radionucléide.

3. Conséquences.

Les demi-vies des radionucléides s'étendent du millième de picoseconde à une centaine de milliards d'années. Il faut donc en tenir compte pour le stockage des déchets nucléaires.

En médecine nucléaire, on utilise des radionucléides émetteurs , peu nuisibles et de demi-vie très courtes (voir tableau 3 p. 81 de votre livre).

IV. Les dangers de la radioactivité.

Particules et rayonnement sont tous très dangereux pour l'être humain.

- particules  : peu pénétrantes (arrêtées par quelques cm d'air) mais très ionisantes;

- particules  : peu ionisantes mais pénétrantes (arrêtées par quelques mm d'aluminium);

- rayons  : peu ionisants mais très pénétrants (arrêtés par écrans de plomb ou de béton).

1. Comment estimer une irradiation ? a) La dose absorbée (D).

La dose absorbée D est égale au rapport de la quantité d'énergie E cédée par le rayonnement par la masse m de matière irradiée.

date nombre de noyaux restants

0 A0

T Ao/2

2T Ao/4

3T Ao/8

4T Ao/16

...

nT Ao/2ⁿ

A₀

A : activité radioactive

0 T 2T 3T t : temps

D E

 m avec E : énergie (J) ; m : masse (kg) ; D : dose en gray (Gy)

b) L’équivalent de dose ou dose équivalente (H).

Pour une même dose absorbée, certains rayonnements sont plus nocifs que d'autres: l'ED traduit cette nocivité sur le corps humain.

L'équivalent de dose H résulte du produit de la dose absorbée D par un facteur de pondération wR.

H = D x wR avec D : dose (Gy); H : équivalent de dose en sievert (Sv)

Remarques :

- Le facteur de pondération varie de 1 pour les rayons  à 20 pour les particules α (voir tab. 1 p. 88).

- Cette unité est utilisée pour fixer des limites règlementaires d'exposition (voir tab. 3 p. 89).

2. Quels sont les effets biologiques des rayonnements ? (voir aussi tableau 1 p. 92)

L'irradiation (exposition externe) ou la contamination (exposition interne) de l'organisme humain peut entraîner :

- des problèmes somatiques (malaises, vomissements, diarrhées ...)

- des atteintes oculaires (cataracte) et cutanées (brûlures, lésions avec risques de cancer) - des problèmes sanguins (modification de la formule sanguine et risques de leucémie) - des atteintes à la fonction reproductrice (stérilité, mort ou malformations de l’embryon) - des effets génétiques (mutations du patrimoine héréditaire).

3. Comment se protéger des rayonnements ? La protection aux rayonnements peut être assurée par :

- la réduction du temps d’exposition (le danger est proportionnel à la durée);

- l'éloignement de la source (le danger est inversement proportionnel au carré de la distance);

- la mise en place d’écrans de protection (béton, eau, feuilles de plomb).

Pour les techniciens du personnel médical manipulant des sources de rayonnements ionisants, il y a des consignes de sécurité à respecter comme le port du dosimètre et pour la radiothérapie, le port de vêtements de protection (en tissu renfermant du plomb).

V. Applications médicales de la radioactivité.

1. La scintigraphie (voir aussi document 7 p. 94).

Cette méthode d'examen est utilisée pour observer un organe et détecter les tumeurs.

Un traceur radioactif (¹³¹I ,⁹⁹Tc , ...voir tableau 2 p. 93 de votre livre) est une molécule organique, administrée à très faible dose et qui se fixe sur l'organe à examiner. L'un de ses atomes a été remplacé par un de ses isotopes radioactif. En se désactivant, ce radioélément émet des rayons  que l'on détecte avec une gamma caméra.

2. La radiothérapie.

Ces méthodes agressives sont utilisées pour détruire certaines tumeurs cancéreuses, par des rayonnements ionisants. Il en existe plusieurs types :

- la radiothérapie métabolique : on injecte dans l'organisme de radioéléments (¹³¹I ,⁸⁹Sr ...) émetteurs ^ : le traceur se fixe sur l'organe cible. Les rayons ^- étant peu pénétrants, contrairement aux rayons , l'effet est confiné dans la tumeur à détruire. L'activité des doses étant élevée, des mesures de radioprotection sont prises (recueil des urines, interdiction des visites, limitation de l'exposition du personnel soignant).

- la curiethérapie : elle consiste à implanter une source radioactive dans la tumeur. Elle nécessite l'hospitalisation en chambre protégée. Les sources d'iridium 192 sont les plus utilisées : elles ont une activité de l'ordre du GBq, les doses appliquées au patient vont de 0,4 à 2 Gy.

- la radiothérapie externe : elle se fait par irradiation externe, une source radioactive située à l'extérieur de l'organisme produit des rayons ionisants qui pénètrent dans les tissus à travers la peau pour atteindre une tumeur profonde. Pour cette forme de radiothérapie, on a longtemps utilisé des bombe au cobalt ⁶⁰Co (cobaltothérapie) qui émettent des rayonnements de 1,25 MeV. Cette technique est de plus en plus remplacée par des accélérateurs de particules capables de fournir des photons d'énergie de 6 à 25 MeV.

VI. Traitement des déchets radioactifs médicaux.

Activité 5 : Lire le document p. 96-97 de votre livre et répondre aux 3 questions posées.

1-Une substance est considérée comme inactive au bout de 20 demi-vies 2- t1/2 = 100 jours

3- L’imagerie médicale.

Pour s'entraîner :

Exercices à faire : n°2, 5, 6, 8 et 9 p.85-86 et n°1, 4 et 7 p. 101-102