Cours de Biophysique - Année Universitaire 2022/2023 - 1ère Année Médecine PDF

# Année Universitaire 2022/2023 ## 1ère Année Médecine ### Cours de Biophysique #### Département d'Onco-Radiothérapie **Pr Moukhlissi MOHAMED** ## Radioactivité - _Rayons Cosmiques_ - _Examen Radiologique_ - _Matériaux Terrestres (Granite)_ - _Industrie Nucléaire_ - _Cadran de Montre_ **Pr Mo...

# Année Universitaire 2022/2023 ## 1ère Année Médecine ### Cours de Biophysique #### Département d'Onco-Radiothérapie **Pr Moukhlissi MOHAMED** ## Radioactivité - _Rayons Cosmiques_ - _Examen Radiologique_ - _Matériaux Terrestres (Granite)_ - _Industrie Nucléaire_ - _Cadran de Montre_ **Pr Moukhlissi MOHAMED** **Département d'Oncoradiothérapie** **Cours de Biophysique** # Généralités sur L’atome # Structure de la Matière **Qu’est-ce que la matière?** - _Matière_ - _Atome_ - _Électron_ - _Proton_ - Quarks - _Noyau_ - _Neutron_ - _Molécule_ - _Atome_ - _Noyau_ - _Nucléon_ # Noyau ## Structure du Noyau ### A - Structure du Noyau ### B - Notions d'Isotopes - Isobares - Isotones ### C - La Cohésion du Noyau et Stabilité ### D - Energies Présentes dans le Noyau ## Structure de L'Atome L’atome est composé : - _Un Noyau Central (+)_ - _Des Électrons (-1) Répartis en Couches_ *Atome: 10^-10 m* *Noyau: 10^-14 m* # Le Noyau Le noyau est composé de : * **Nucléons:** - **Protons (p)**: Z, Charge Elémentaire Positive: 1.6 * 10^-19 C (Coulomb) - **Neutrons (n)**: N, Aucune Charge * mn~mp= 1.67 * 10^-24 g= 1.67 * 10^-27 kg Le nombre Z de protons caractérise : - _La Charge Totale Z du Noyau_ - _C’est le Nombre Atomique de la Table Périodique de Mendeleïev_. > **Exemple:** >> * 27 >> * 13 AL = 27 nucléons >> *(13 protons - 14 neutrons)* >> * 127 >> * 53 I = 127 nucléons >> *(53 protons - 74 neutrons)* ## Le Proton - _Symbole = 1¹p_ - _Masse = 1.00759 uma_ - _Charge = 1.602.10^-19_ - _A l'état libre, il est stable mais dans certaines conditions énergétiques, il se transforme :_ > **1¹p → 0¹n + +1⁰e + √** ## Le Neutron - _Symbole = 0¹n_ - _Masse = 1.00896 uma_ - _Particule instable (période: 12 mn)_ - _A l'état libre, il se transforme spontanément:_ > **0¹n → 1¹p + 0⁻¹e + √** - _Charge électrique = nulle_ ## L’Électron - _Symbole = 0⁻¹e_ - _Masse = 0.000548 uma_ - _Charge = -1.602.10^-19_ # Noyau ## Structure du Noyau ### B – Notions d'Isotopes – Isobares – Isotones ### C– La Cohésion du Noyau et Stabilité ### D– Energies Présentes dans le Noyau # Isotopes+++ * _Z constant mais A ≠ donc N ≠_ * _Eléments: mêmes propriétés chimiques:_ _L’Hydrogène:_ * 1H 1 * Hydrogène 2H 3H * *Deutérium* *Tritium* _Carbone:_ * 6¹²C ⇒ Z= 6 N=6 * 6¹⁴C ⇒ Z=6 N=8 * 6¹¹C ⇒ Z= 6 N=5 # Isobares * _Isobares: A = constant et Z ≠_ * _nucléides qui ont le même nombre de masse A_ * _numéro atomique Z différent_ * _Exemple:_ * 6¹⁴C Z=6 N=8 A= 14 * 7¹⁴N Z=7 N=7 A= 14 # Isotones * _Isotones_ * _nucléides qui ont le même nombre de neutrons N_ * _Exemple:_ * 6¹⁴C Z=6 A= 14 N=8 * 7¹⁵N Z=7 A= 15 N=8 * 8¹⁶O Z= 8 A= 16 N=8 # Isomères * _Isomères_ * _Même A, N, Z_ * _niveaux d'énergies différents_ * _Exemple: C3H7CL CHLORPROPANE (même formule brute, formule développée différente_ * _H H CI_ * _H-C-C-C-H_ * _HHH__ * _Molécule 1_ * _H CI H_ * _H-C-C-C-H_ * _HHH_ * _Molécule 2_ # Isomères * _Isomèrie de constitution (Structurale)_ * _Diastéréoisomères_ * _Enantiomères_ * _Cis/trans isomères_ * _Epimères_ * _Anomères_ * _Stéréoisomérie (Spatiale)_ * _De conformation_ * _Conformères_ * _Rotamères_ # Noyau ## Structure du Noyau ### B – Notions d'Isotopes – Isobares – Isotones ### C – La Cohésion du Noyau et ### Stabilité ### D - Energies Présentes dans le Noyau # Cohésion du Noyau et Stabilité * Forces intervenant dans la cohésion du noyau - _Forces de Répulsion Électrique_ - _Forces Nucléaires Répulsives_ - _Forces Attractives_ * Cohésion du Noyau et Stabilité - _Stabilité nucléaire_ * _Équilibre entre les forces d'attraction et les forces de répulsion._ - _Instabilité nucléaire: Radioactivité_ * _Mauvais équilibre entre les forces intranucléaire_ # Cohésion du Noyau et Stabilité ## La Stabilité du Noyau * Dépend: - _Taille du noyau_ - _Proportion en protons et neutrons_ - _Niveau d'énergie du noyau_ # Cohésion du Noyau et Stabilité ## Diagramme de Stabilité * _Noyaux Stables_ * _Noyaux Émetteurs ß-_ * _Noyaux Émetteurs ß+_ * _Noyaux Émetteurs a_ * _Zone I_ * _Noyaux Riches en Neutrons_ * _n → p désintégration ß-__ * _Zone II_ * _Noyaux Riches en Protons_ _p → n désintégration ß+_ _ou la capture électronique__ * _Zone III_ * _Noyaux lourds trop riches_ * _émission a en protons et en neutron_ # Cohésion du Noyau et Stabilité ## Énergie de Liaison du Noyau * _La masse d'un noyau (constituée de Z protons_ _et N neutrons) est < à la somme des masses de_ _ses constituants_ * _m(A, Z)c²=Zmpc²+Nmc²-Amc²_ * _Am: défaut de masse_ * _ΔΕ= Am.c²: énergie de liaison du noyau L, c'est l'énergie qu'il_ _faudraient fournir au noyau pour dissocier ses différents nucléons._ * _L= Am.c²_ # Énergie de Liaison du Noyau * _Énergie_ * _E = mc²_ - _Nucléons_ - _Noyau_ * _Énergie de masse du noyau < somme des_ _énergies de masse des nucléons_ # Noyau ## Structure du Noyau ### B – Notions d'Isotopes – Isobares – Isotones ### C – La Cohésion du Noyau et ### Stabilité ### D – Energies Présentes dans le Noyau # Energies Présentes dans le Noyau * _L'énergie de liaison représente une énorme quantité d'énergie,_ * _qu'on peut extraire de deux façons différentes:_ - _Énergie de fusion= noyaux légers_ * _Exp: la bombe atomique H à hydrogène_ * _ ¹H + H¹ -> ²He + ¹e_ * _³Li + H ¹ -> 2 ³He_ # Energies Présentes dans le Noyau * _Énergie de fission nucléaire = noyaux lourds_ * _Si donc un atome très lourd se fragmente en deux_ _portions de masse à peu près égales pour donner_ _deux atomes plus léger, il y a libération d'énergie:_ « l’énergie de fission nucléaire » * _ Exemple: uranium, plutonium..._ # La Radioactivité # La Radioactivité * « LA RADIOACTIVITÉ EST LA TRANSFORMATION D'UN ATOME AVEC UNE ÉMISSION DE RAYONNEMENTS » * La radioactivité résulte of l’instabilité du noyau of certains atomes; le noyau unstable tend à evoluer vers un état stable, en émettant of façon spontanée, un rayonnement : * « transformation radioactive » # La Radioactivité * _Lois of conservation:_ * _Au cours of une transformation radioactive:_ - _La somme algébrique des charges est identique à_ _l’état initial et à l’état final_ - _Le nombre of nucléons est identique à l’état initial et_ _à l’état final_ - _Il y a conservation of la quantité of mouvement_ - _Il y a conservation of l’énergie_ # La Radioactivité * _Lois of conservation_: 1. _Conservation du nombre of nucléons:_ * _Le nombre of nucléons reste inchangé,_ * _mais la répartition entre Protons et_ * _neutrons peut être différente_ * _Ex:_ * _X+Y_ * _C + D alors_ * _Ax + Ay = Ac + AD_ # La Radioactivité * _Lois of conservation:_ 2. _Conservation of la charge électrique_ * _Ex:_ * _X+Y → C+D alors Zx + Zy = Zc + ZD_ 3. _Conservation of l'énergie_ * _X + Y ------> C + D alors Ex + Ey = Ec + Ed_ # La Radioactivité * _Lois of conservation:_ 4. _Conservation of la quantité of mouvement_ * _les deux atomes filles partent dans la même_ * _direction mais dans deux sens opposés._ # La Radioactivité * _Il existe deux grands types of transformations radioactives:_ * _Radioactivité par excès of nucléons_ * _(= phénomènes primaires)_ * _Emission alpha a (42He):_ * _Excès protons + neutrons_ * _Emission béta ß- (e-):_ * _Excès neutrons_ * _Emission béta ẞ+ (e+):_ * _Excès protons_ * _Capture électronique CE:_ * _Excès protons_ * _appelés DÉSINTÉGRATIONS, le nombre of protons a changé,_ * _donc le numéro atomique Z change; on aboutit à un_ * _élément chimique différent of l’élément of départ._ # La Radioactivité * _Radioactivité par excès d'énergie_ * _(= phénomènes secondaires)_ * _Émission gamma y:_ * _Photons of nature électromagnétique._ * _Conversion interne CI:_ * _Energie communiquée à un électron qui sera_ * _éjecté._ # Radioactivité par Excès of Nucléons * (= PHÉNOMÈNES PRIMAIRES) # Phénomènes Primaires: Emission A * _Ce mode of désintégration ne s’observe que pour les_ * _atomes très lourds, of numéro atomique Z > 82 (Pb),_ * _dont les noyaux contiennent un excès des deux types of_ * _nucléons (N + P)._ * _Particule Alpha Charge +2_ # Désintégration Alpha * _Parent_ * _A * _ZX_ * _Daughter_ * _A-4 * _Z-2_Y * _Alpha_ * _Particule_ * _4 * _2α_ * _N_ * _La "vallée of stabilité" * _Zone 1_ - _β-_ * _Z = 20_ * _a ou fission_ * _Zone 3_ * _Z=N_ * _Zone 2_ * _CE et ẞ+_ * _Courbe of stabilité nucléaire_ # Phénomènes Primaires: Emission A * _Le noyau émet une particule a constitué of 2 protons_ * _et 2 neutrons; il s’agit of noyaux d’hélium 4, of notations_ * _suivantes:_ * _⁴₂He ou ⁴₂α_ * _La réaction élémentaire est la suivante:_ * _A Z_ * _X —> A-4 Z-2_ * _ Y + ⁴₂ He_ * _Dans cette désintégration, le nombre of masse A_ _diminue of 4 et le numéro atomique Z diminue of 2._ * _Le nouveau nucléide Y peut être lui-même stable_ _ou radioactif._ # Phénomènes Primaires: Emission A * _Le spectre of l’énergie des particules α est_ * _un spectre of raies (discontinu)._ * _Intensité Énergétique_ * _Fréquence_ * _Spectre of Raies_ # Phénomènes Primaires: Emission A * _Exemple:_ * _Désintégration du radium (noyau père)_ * _en radon (noyau fils);_ * _A_ * _ZRa —> ⁴₂He + A-4 Z-2Rn_ # Phénomènes Primaires: Emission B – * _La radioactivité ß – correspond à la désintégration d’un_ * _noyau avec émission d’un électron._ * _La particule B- émise est un électron négatif e-._ * _Ce phénomène s’observe pour les nucléides ayant un_ * _excès of neutrons._ * _Particule_ * _Bêta Charge (-1)_ # Phénomènes Primaires: Emission B – * _Tout se passe comme si un neutron du_ * _noyau se transforme spontanément en_ * _un proton avec émission d’un électron:_ * _¹⁰n → ¹¹p + ⁰-¹e_ * _Parent_ * _A * _ZX_ * _A * _Daughter_ * _Z+1Y_ * _Decay by Beta Emission_ * _Beta Particle_ * _⁰-¹e_ * _Antineutrino_ * _ν_ # _Phénomènes Primaires: Emission B –_ * _A Z_ * _X —> A Z+ 1 Y + ⁰-¹e_ * _le nombre of masse A ne varie pas_ _mais le numéro atomique Z augmente_ _d’une unité (Z+1)._ * _Le nouveau nucléide formé Y se_ _rapproche ainsi of la zone of stabilité._ # Phénomènes Primaires: Emission B – * _N_ * _La "vallée of stabilité" * _Zone 1_ - _β-_ * _Z= 20_ * _α ou fission_ * _Zone 3_ - _Z=N_ * _Zone 2_ - _CE et β+_ * _Courbe of stabilité nucléaire_ # Phénomènes Primaires: Emission B – * _Parmi les isotopes radioactifs émetteurs β - on peut citer:_ * _Le cobalt 60 (radiothérapie):_ * _60 27Co -> ⁰-¹e + 6028 Ni_ * _Le carbone 14 (datation):_ * _146C -> ⁰-¹e + 147N_ * _Le césium 137 (curiethérapie):_ * _13755 Cs -> ⁰-¹e + 13756Ba_ # Phénomènes Primaires: Emission B+ * _La radioactivité b + correspond à la désintégration d’un_ * _noyau avec émission d’un positon._ * _Ce phénomène s’observe pour les nucléides ayant un excès of_ * _protons._ * _Tout se passe comme si un proton du noyau se transforme_ * _spontanément en un neutron avec émission d’un positon:_ * _¹¹p → ⁰¹n + ⁰+¹e_ # Phénomènes Primaires: Emission B+ * _A Z_ * _X —> A Z-1 Y + ⁰+¹e_ * _le nombre of masse A ne varie pas_ _mais le numéro atomique Z diminue_ _d’une unité (Z-1)._ * _Le nouveau nucléide formé Y se_ _rapproche ainsi of la zone of stabilité._ # Phénomènes Primaires: Emission B+ * _N_ * _La "vallée of stabilité" * _Zone 1_ - _β-_ * _Z= 20_ * _α ou fission_ * _Zone 3_ - _Z=N_ * _Zone 2_ - _CE et β+_ * _Courbe of stabilité nucléaire_ # Phénomènes Primaires: Emission B+ * _Parmi les isotopes radioactifs émetteurs β+_ * _on peut citer:_ * _Le Fluor 18:_ * _(TEP: Tomographie par Emission of_ * _Positon) :_ * _189F -----> ⁰+¹e + 188O_ * _189F_ * _β+_ * _188O_ # Radioactivité par Excès d'Énergie * (= PHÉNOMÈNES SECONDAIRES) # Phénomènes Primaires: Emission Y * _Les rayonnements électromagnétiques γ, ou photons γ_ * _sont of masse nulle et of charge nulle, qu’on peut_ * _assimiler à des grains d’énergie._ * _Après une transformation radioactive le noyau reste dans_ * _un état « excité » avec un excédent d’énergie, son_ * _désexcitation s’effectue souvent grâce à l’émission d’un_ * _photon γ._ # Emission Gamma (γ) # Phénomènes Primaires: Emission Y * _226_ * _88Ra_ * _α2_ * _222_ * _86Rn_ * _α1_ * _Y_ * _222_ * _86Rn_ * _Désintégration du_ * _radium (noyau père)_ * _en radon (noyau_ * _fils);_ * _2 possibilités:_ * _Directement radon_ * _stable 22286Rn (95%)_ * _Passage par un état_ * _excité du radon_ * _22286Rn* (5%)_ * _5%_ * _95%_ # Phénomènes Primaires: Conversion # Interne CI * _Processus alternatif par lequel le noyau excité_ * _d’un isotope émet des rayons gamma en se_ * _débarrassant of l’énergie d’excitation_ * _Le noyau émet un rayonnement gamma qui_ * _interagit avec un électron orbital. Cet électron_ * _est en suite éjecté of l’atome_ * _Les rayons X caractéristiques sont émis quand_ * _les électrons orbitaux extérieurs comblent les_ * _postes vacants laissés par les électrons of_ * _conversion_ # Phénomènes Primaires: Conversion # Interne CI * _Ces rayons-x caractéristiques peuvent_ * _eux mêmes être absorbés par les_ * _électrons orbitaux éjectés_ * _Ces électrons éjectés sont appelés_ * _électrons Auger et ils ont une très petite_ * _énergie cinétique_ # Conversion Interne * _autre mode of désexcitation du noyau_ * _État excité du noyau_ # Conversion Interne * _M_ * _e_ * _e_ * _L_ * _e_ * _K_ * _e_ * _Nucleus_ * _Excited_ * _e_ * _e_ * _e_ * _e_ * _e_ * _e_ * _e_ * _e_ * _K conversion_ * _electron_ * _M_ * _e-_ * _K_ * _e_ * _e_ * _e_ * _e_ * _L_ * _K_ * _e_ * _Nucleus_ * _Nucleus is excited_ _following decay or_ _nuclear interaction._ * _Nucleus de-excites_ _by emitting_ _conversion_ _electron (ce-k)._ # Phénomènes Primaires * _Ces deux types of désexcitation (y et CI) ne_ * _s’accompagnent jamais of changement du_ * _numéro atomique Z ni of nombre of masse A._ * _Réaction of l’émission γ:_ * _A Z_ * _X* —> A Z_ * _X + Qγ_ * _Réaction of l’émission d’un électron of CI:_ * _A Z_ * _X* —> A Z_ * _X + QαCI_ # Lois of La RADIOACTIVITE: - 1- _Loi of décroissance radioactive_ - 2- _Activité d'une source radioactive_ - 3- _Période radioactive T ou demi-vie_ # LOI DE DÉCROISSANCE RADIOACTIVE * _Le phénomène of désintégration radioactive est_ * _un phénomène aléatoire (c’est-à-dire soumis aux_ * _lois du hasard)._ * _Ceci signifie que si l’on considère un noyau_ * _radioactif donné, il est impossible of prédire à_ * _quel instant la désintégration va se produire._ # LOI DE DÉCROISSANCE RADIOACTIVE - * _Prenant comme exemple un ensemble d’atomes_ * _d’uranium constituant une source radioactive;_ * _l’un of ces atomes émettra un rayon a après_ * _quelques secondes,_ * _un autre après plusieurs mois,_ * _le troisième attendra des millions d’années avant_ * _d’émettre cette même particule._ # LOI DE DÉCROISSANCE RADIOACTIVE * _La loi of décroissance exprime ainsi la variation du_ * _nombre d’atomes radioactifs, en fonction du temps:_ * _dN = - X × N × dt_ * _dN: représente le nombre d’atomes, qui se transforment_ * _au cours of un temps dt._ * _N: représente le nombre d’atomes initial présent dans la_ * _source à l’instant t._ * _λ : « constante radioactive »_ # LOI DE DÉCROISSANCE RADIOACTIVE * « λ »: _la constante radioactive représente la_ * _probabilité que présente un atome radioactif of_ * _se transformer pendant l’unité of temps._ * _Elle a pour dimension T-1 et s’exprime en S-1 (ou en_ * _J-¹ ou année-¹)._ * _« λ » est caractéristique du radionucléide considéré;_ * _elle dépend of la nature du nucléide et of son_ * _niveau d’énergie,_ # ACTIVITÉ D'UNE SOURCE RADIOACTIVE * _L’activité est la grandeur la plus utile pour_ * _caractériser une source radioactive._ * _Reprenant la formule of la décroissance_ * _radioactive:_ * _dN = - X × N × dt_ * _et donc A (activité) = - dN/dt = X × N_ # ACTIVITÉ D'UNE SOURCE RADIOACTIVE * _L’activité A d’une source radioactive est , par_ * _définition:_ * _« Le nombre d’atomes radioactifs qui se_ * _désintègrent (dN) par unité of temps (dt)_ * _dans une source »_ * _Cette activité diminue avec le temps_ * _par disparition des atomes radioactifs_ * _(décroît parallèlement à N)._ # ACTIVITÉ D'UNE SOURCE RADIOACTIVE * _L’unité légale of l’activité est le Becquerel of_ * _symbole « Bq »._ * _1 Bq = une désintégration par seconde_ # RIODE RADIOACTIVE T OU DEMI-VIE * _Définition:_ * _On appelle période ou demi-vie d’un_ * _radionucléide, le temps T (exprimé en secondes,_ * _jours ou années) au bout duquel la moitié d’une_ * _population d’atomes radioactifs se sont_ * _désintégrés._ # Activité - demi-vie # Période - demi-vie * _1000_ * _800_ * _600_ * _400_ * _200_ * _Activité_ * _0_ * _Durée pendant laquelle l’activité_ * _décroît of moitié_ * _I-131_ * _8 j._ * _I-125_ * _60 j._ * _Cs-137_ * _30 ans_ * _Sr-90_ * _29 ans_ * _Pu-239_ * _24.000 ans_ * _Tc-99m_ * _6 h._ * _TI-201_ * _74 h._ * _C-14_ * _5.730 ans_ * _H-3_ * _12,4 ans (T1/2 biologique: 12 j.)_ * _U-235_ * _700 000 000 ans_ * _U-238_ * _4 500 000 000 ans_ # CONCLUSION * _Tous irradiés?_ * _Tous radioactifs?_ * _RADIOPROTECTION +++_