Physique des radiations ionisantes

Les interactions ionisantes sont des interactions qui provoquent l'ionisation d'atomes dans la matière. Elles sont causées par des particules chargées, comme les particules alpha, bêta et les protons.

Le transport de l'énergie des radiations vers la matière nécessite que les particules non chargées, comme les photons, interagissent pour libérer une particule chargée. C'est cette particule chargée qui peut ensuite créer des effets dans la matière.

Les interactions coulombiennes se produisent lorsque des particules chargées passent à proximité d'électrons. La force résultante transmet de l'énergie à l'électron, modifiant son état énergétique.

L'irradiation externe est l'exposition à une source de rayonnement provenant de l'extérieur du corps. L'irradiation interne, quant à elle, implique l'ingestion ou l'inhalation de substances radioactives.

Le TEL (Transfert d'Énergie Linéique) mesure la quantité d'énergie transférée par une particule dans une unité de longueur de trajectoire. Il est utilisé pour évaluer les effets biologiques du rayonnement.

Le pouvoir de ralentissement d'une particule chargée est lié à la perte d'énergie par unité de distance. Il dépend de la charge et de la vitesse de la particule.

L'absorption de particules alpha, par ingestion ou respiration, est un problème sérieux car elles provoquent des dommages importants au niveau cellulaire.

L'irradiation interne implique la fixation d'un noyau instable dans l'organisme, suivi de l'émission de particules radioactives. Ces particules provoquent des dégâts en fonction de leur TEL.

Relation qui décrit la perte d'énergie cinétique d'une particule chargée traversant un milieu, où q représente la charge de la particule, v sa vitesse, Z le numéro atomique du milieu, et n la densité atomique. Plus la vitesse de la particule est faible, plus la perte d'énergie est importante.

L'effet photoélectrique est un phénomène où un photon incident transfère toute son énergie à un électron atomique, ce qui provoque son éjection de l'atome.

L'énergie cinétique du photoélectron est égale à l'énergie du photon incident moins l'énergie de liaison de l'électron dans l'atome.

La probabilité de l'effet photoélectrique est maximale lorsque l'énergie du photon incident correspond à l'énergie de liaison de l'électron. La probabilité diminue avec l'augmentation de l'énergie du photon.

L'effet photoélectrique est plus probable pour les photons de faible énergie interagissant avec les électrons des couches périphériques. Les photons de haute énergie peuvent interagir avec les électrons des couches internes.

Pour maximiser l'effet photoélectrique, il faut utiliser des matériaux avec un numéro atomique élevé (Z).

La probabilité d'une interaction photoélectrique augmente brusquement lorsque l'énergie du photon incident (hv) approche de l'énergie de liaison (E) d'une couche électronique donnée.

Plus de 80% des interactions photoélectriques se produisent avec les électrons de la couche K lorsqu'ils deviennent accessibles.

La probabilité d'un effet photoélectrique augmente fortement avec le numéro atomique (Z) de l'atome, suivant une variation proportionnelle à Z4.

Les matériaux à haut numéro atomique, comme le plomb, sont utilisés pour absorber efficacement les photons, en particulier ceux de basse énergie.

La direction d'émission du photoélectron dépend de l'énergie du photon incident. Plus l'énergie est élevée, plus le photoélectron est émis dans la direction du photon.

L'émission d'un photoélectron crée une vacance dans une couche électronique. Cette vacance peut être comblée par un électron d'une couche supérieure, libérant un rayonnement X de fluorescence.

L'énergie du rayonnement caractéristique est caractéristique de l'atome, correspondant aux différences d'énergie de liaison entre les couches électroniques.

L'effet photoélectrique est essentiel pour générer le contraste dans les images radiographiques car il est fortement influencé par le numéro atomique (Z) des tissus.

L'effet Compton est un phénomène où un photon incident transfère une partie de son énergie à un électron atomique, ce qui provoque une modification de la direction et de l'énergie du photon incident. L'électron est éjecté de son atome et poursuit sa trajectoire avec une certaine énergie.

La probabilité de l'effet Compton est plus élevée pour les photons incidents de plus haute énergie, car ils ont plus d'énergie à transférer aux électrons. Elle varie également en fonction du numéro atomique du matériau.

Il existe une forte corrélation entre l'effet Compton et l'épaisseur du patient. Plus le patient est corpulent, plus il y aura d'effet Compton, car le rayonnement rencontre plus d'électrons dans son trajet à travers le corps.

Dans le cas de la radiographie, l'effet Compton est relativement faible, mais il est plus important en médecine nucléaire, où les photons de haute énergie sont utilisés. En radiothérapie, l'effet Compton est plus important, car les photons interagissent avec les tissus à haute densité.

Le plomb, étant un matériau dense avec beaucoup d'électrons, devrait donc avoir un effet Compton important. Cependant, l'effet Compton est faible dans le plomb. Ce phénomène permet aux tabliers de plomb de protéger les patients et les professionnels de santé contre les rayonnements.

Lors d'une interaction Compton, l'énergie du photon incident est partagée entre le photon diffusé et l'électron éjecté. Plus l'énergie du photon incident est élevée, plus la probabilité que le photon diffusé soit émis vers l'avant est grande.

Des matériaux comme le gadolinium (Z = 64) et le lanthane (Z = 57) sont utilisés dans les écrans de radiographie en raison de leur capacité à absorber efficacement les rayons X grâce à l'effet Compton, particulièrement adapté à la gamme d'énergie utilisée en radiodiagnostic.

L'atténuation des rayons X est la diminution de leur intensité lorsqu'ils traversent la matière.

Le coefficient d'atténuation des rayons X est une mesure de la probabilité qu'un rayon X interagisse avec la matière et soit absorbé ou diffusé.

La production de paires est un processus d'interaction des rayons X avec la matière à haute énergie, dans lequel un photon incident interagit avec le champ électrique du noyau d'un atome, produisant une paire électron-positron.

Le choix du type d'interaction (photoélectrique, Compton ou production de paires) dépend de l'énergie du photon incident et du numéro atomique du matériau traversé.

La création de paires est un phénomène d'interaction entre un photon et le champ électromagnétique du noyau d'un atome. Le photon est absorbé par le noyau, qui crée ensuite une paire électron-positon. C'est le phénomène dominant pour les hautes énergies de rayons X.

L'atténuation des rayons X varie considérablement en fonction du matériau traversé. Le plomb est un matériau très efficace pour atténuer les rayons X, surtout aux faibles énergies (mammographie). L'eau, en revanche, est moins efficace pour atténuer les rayons X, surtout aux faibles énergies.

Les trois interactions principales des rayons X avec la matière sont l'effet photoélectrique, l'effet Compton et la création de paires. Chacun de ces phénomènes prédomine à une certaine plage d'énergie des rayons X.

Les interactions des rayons X avec la matière sont importantes pour la radiologie médicale, car elles permettent de créer des images des tissus humains.

Le coefficient d'atténuation d'un matériau est représenté sur un graphique en fonction de l'énergie des rayons X. Ce graphique permet de visualiser les interactions dominantes à chaque énergie.

Le débit de dose diminue lorsque la distance à la source de radiation augmente. Plus précisément, si l'on double la distance, le débit de dose est réduit par un facteur de 4 (c'est-à-dire qu'il est inversement proportionnel au carré de la distance).

Il est généralement admis qu'après environ 10 périodes, la radioactivité d'un radio-isotope est suffisamment réduite pour qu'il ne représente plus un danger significatif (1 atome sur 1000 reste actif).

Pour un radio-isotope avec une période de 8 jours, il faudra attendre 8 jours pour que la radioactivité soit réduite de moitié.

L'unité de la période radioactive est le temps, typiquement exprimé en secondes (s), minutes (min), heures (h), jours (d), etc.

La période Radioactive (ou demi-vie) est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d'une substance radioactive se désintègrent. C'est un indicateur de la stabilité d'un isotope radioactif.

Une zone contrôlée est une zone où des réglementations spéciales sont appliquées pour protéger contre les radiations ionisantes. L'accès à cette zone est limité aux personnes disposant de dosimètres, et elle est souvent marquée par des signes de danger radioactif.

Le dosimètre doit être porté par toute personne qui est professionnellement exposée aux radiations ionisantes, notamment les travailleurs dans les domaines de la radiologie et de la médecine nucléaire.

Le dosimètre doit être porté en tout temps lorsque la personne est susceptible d'être exposée à des radiations, en particulier lors de procédures où des sources radioactives sont utilisées.

L'irradiation naturelle en Belgique est de l'ordre de 2 mSv par an.

Ces risques sont appelés effets déterministes.

Ces risques sont appelés effets stochastiques.

Une onde électromagnétique (OEM) ionisante est une onde capable d'ioniser la matière, c'est-à-dire de retirer des électrons des atomes, ce qui peut entraîner des dommages biologiques.

Les OEM d'origine naturelle incluent le rayonnement cosmique, le rayonnement terrestre, et les émissions de radon.

Les OEM d'origine humaine incluent les radiations émises par des dispositifs comme les téléphones portables, les appareils de radiologie et d'autres appareils utilisant des rayonnements ionisants.

Il existe un champ électromagnétique de basse fréquence engendré par le courant électrique.

L'ionisation de la matière par les OEM commence généralement à des énergies supérieures à environ 10 eV.

La dose maximale que le personnel exposé (TIM) peut avoir au niveau des mains est de 500 mSv par an.

L'ordre de grandeur du parcours moyen d'une particule bêta de 1 MeV dans l'eau est d'environ 1 cm.

L'ordre de grandeur du parcours moyen d'une particule alpha de 1 MeV dans l'eau est d'environ 30 cm.

La dose maximale que le public peut avoir au niveau du corps entier est de 1 mSv par an.

La dose maximale que le TIM peut avoir au niveau du corps entier est de 20 mSv par an.

TEL signifie "Taux d'Exposition Législatif", qui fait référence aux limites d'exposition aux radiations.

Le rayonnement neutronique est constitué de neutrons libres émis par des réactions nucléaires, pouvant interagir avec la matière et provoquer des effets biologiques.

Le rayonnement bêta est constitué de particules bêta (électrons ou positrons) émises par la désintégration radioactive de certains noyaux instables.

Le rayonnement alpha est constitué de particules alpha (noyaux d'hélium) émises par la désintégration radioactive de certains isotopes lourds.

La fission nucléaire est le processus par lequel un noyau atomique lourd se divise en deux noyaux plus légers, libérant une grande quantité d'énergie.

La fusion nucléaire est le processus par lequel deux noyaux légers se combinent pour former un noyau plus lourd, libérant également une grande quantité d'énergie.

L'irradiation naturelle en Belgique est d'environ 2 mSv par an.

La dose est généralement mesurée en microsieverts (µSv) ou millisieverts (mSv).

1 GBq = 1000 MBq.

25 micro Sv = 0.025 milliSv.

Le débit de dose est inversement proportionnel au carré de la distance. Si on double la distance, le débit de dose est divisé par 4.

Après environ 10 périodes, la radioactivité est suffisamment réduite pour ne plus être dangereuse.

La période est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs se désintègrent.

L'unité de la période radioactive est le temps (secondes, minutes, heures, jours, etc.).

Une zone où des réglementations spéciales s'appliquent pour la protection contre les rayonnements ionisants.

Le dosimètre doit être porté par toute personne exposée professionnellement aux radiations ionisantes.

Le dosimètre est porté en permanence en présence de radiations ionisantes.

L'irradiation naturelle en Belgique est de l'ordre de 2 mSv par an.

Effets à court terme sur les êtres vivants causés par l'exposition aux radiations ionisantes.

Effets à long terme sur les êtres vivants causés par l'exposition aux radiations ionisantes.

Une onde capable d'ioniser la matière en arrachant des électrons, pouvant causer des dommages biologiques.

Le rayonnement cosmique, terrestre et les émissions de radon.

Les radiations émises par les téléphones portables, les appareils radiologiques, etc.

Un champ électromagnétique de basse fréquence est généré par le courant électrique.

L'ionisation de la matière par les OEM commence à des énergies supérieures à environ 10 eV.

La dose maximale que le personnel exposé (TIM) peut avoir au niveau des mains est de 500 mSv par an.

L'ordre de grandeur du parcours moyen d'une particule bêta de 1 MeV dans l'eau est d'environ 1 cm.

L'ordre de grandeur du parcours moyen d'une particule alpha de 1 MeV dans l'eau est d'environ 30 µm.

La dose maximale que le public peut avoir au niveau du corps entier est de 1 mSv par an.

La dose maximale que le TIM peut avoir au niveau du corps entier est de 20 mSv par an.

TEL signifie "Taux d'Exposition Législatif" et fait référence aux limites d'exposition aux radiations.

L'irradiation naturelle en Belgique est d'environ 2 mSv par an.

La dose est généralement mesurée en microsieverts (µSv) ou en millisieverts (mSv).

1 GBq est égal à 1000 MBq.

25 micro Sv est égal à 0,025 milliSv.

1 Ci est égal à 37 GBq.