La prévention et les soins

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Classe(s) : Tle STI2D - Tle STL | Thème(s) : Prévention et soin

La prévention et les soins

Certains noyaux sont radioactifs et émettent des rayonnements pouvant être nocifs pour l’homme. Pourtant, en maîtrisant cette émission de particules, on parvient à traiter des patients et à soigner certaines maladies.

1L’atome

L’atome comporte un noyau autour duquel gravitent les électrons. Le noyau chargé positivement est composé de nucléons : protons et neutrons. Il est très petit et dense. L’atome étant neutre, il y a autant de protons que d’électrons.

A Description du noyau

Un élément est caractérisé par son numéro atomique Z (ou nombre de charges) et par son nombre de masse A (ou nombre de nucléons).

Z protons ; N neutrons ; A = Z + N.

On représente un nucléide, c’est-à-dire un noyau atomique par ZA X.

Le numéro atomique Z est associé à un élément chimique, comme son symbole. L’élément carbone est représenté par le symbole C et a forcément le numéro atomique Z = 6.

X est le symbole chimique de l’élément : il commence toujours par une majuscule, suivie éventuellement d’une minuscule pour différencier les éléments chimiques.

Le rayon nucléaire est de l’ordre de 1015 m.

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B L’isotopie

Les isotopes d’un élément ont le même numéro atomique, et ont donc un nombre égal de protons, mais ils diffèrent par leur nombre de neutrons N, donc également par A.

EXEMPLE

Pour reconnaître les noyaux isotopes dans la série suivante, il faut regarder quels sont les noyaux qui ont le même numéro atomique : X612X715X815X614X816.

On remarque qu’il y a 2 couples d’isotopes : X612X614 et X815X816.

Deux noyaux isotopes représentent le même élément chimique, ils ont la même charge électrique mais pas la même masse. Ils peuvent avoir des propriétés très différentes : certains sont stables et d’autre radioactifs.

Exercice résolu 1

Énoncé

L’iode 123 est noté 53123 I. Cet isotope de l’iode est utilisé pour réaliser des explorations fonctionnelles de la thyroïde.

1. Qu’appelle-t-on isotope ?

2. Que représente le nombre 123 ?

3. Que représente le nombre 53 ?

4. Quelle est la composition du noyau d’iode 123 ?

Corrigé

1. Deux noyaux isotopes comportent le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent.

2. Le nombre 123 est le nombre de nucléons ou nombre de masse A.

3. Le nombre 53 est le numéro atomique ou nombre de protons Z.

4. Le noyau d’iode 123 comporte donc 53 protons et (153 53) = 70 neutrons.

Exercice résolu 2

Énoncé

1. Donner la composition du noyau de symbole : P1532.

2. On considère le noyau de symbole : P1529. Quel est le lien entre les deux noyaux précédents ? Justifier la réponse.

Corrigé

1. Le noyau de symbole : P1532 contient 15 protons et 32 15 = 17 neutrons.

2. Ces deux noyaux sont isotopes car ils ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

2La radioactivité

A Historique

En 1896, le physicien français Henri Becquerel découvre que des plaques photographiques, placées à l’obscurité au voisinage de sels d’uranium, ont été impressionnées. Il en déduit que les sels d’uranium émettent un rayonnement qu’on appellera radioactivité.

Un peu plus tard, suite aux travaux des anglais Rutherford et Soddy, il est prouvé que la radioactivité provient de la désintégration de noyaux atomiques instables. Les noyaux radioactifs sont des noyaux instables qui, au bout d’une durée plus ou moins grande, se désintègrent spontanément, c’est-à-dire se transforment d’eux-mêmes en d’autres noyaux stables ou radioactifs. Cette désintégration s’accompagne d’un rayonnement radioactif et d’énergie.

Un noyau radioactif se décompose spontanément en un noyau fils différent avec émission de particule ou de rayonnement.

B Les différents types d’émissions radioactives

Il y a quatre types de radioactivités différents :

– 3 sont des particules de matière :

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– le rayonnement gamma : γ est de nature électromagnétique ; il est constitué de photons.

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Domaine de fréquences des rayonnements γ.

Les rayonnements γ ont une fréquence ­comprise entre 3 × 1019 Hz et 3 × 1022 Hz, ce qui correspond à une longueur d’onde dans le vide λ0 comprise entre 1011 et 1014 m.

C Les équations de décomposition

Au cours de toute réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de charge  Zi = constante et conservation du nombre de masse ou de nucléons  Ai = constante.

1. La radioactivité alpha (α)

Un noyau radioactif alpha α se désintègre en émettant une particule α, c’est-à-dire un noyau d’atome d’hélium. Elle concerne les noyaux atomiques qui ont trop de nucléons. La désintégration est spontanée, elle est due à l’instabilité du noyau. Certains noyaux lourds (Z > 80) sont radioactifs α.

Schéma général : ZAX 24He + Z2A4Y

EXEMPLE

 84210 Po24 He + 82206 Pb

 polonium

Propriétés des particules α.

Les particules α portent une charge positive +2e, créant un champ électrique autour d’elles, qui agit sur les électrons externes des atomes et des molécules. Elles provoquent ainsi sur leur passage une ionisation importante des atomes et des molécules. Elles sont très nocives pour la santé humaine.

Exercice résolu

Énoncé

Compléter l’équation de décomposition du radium en donnant les valeurs A et Z du noyau fils obtenu.

88226 Ra24 He + ZA Rn

Corrigé

D’après les lois de Soddy, il y a conservation de la somme des nombres de masse et des nombres de charge au cours d’une transformation nucléaire :

– conservation du nombre de masse : 226 = A + 4 soit A = 222

– conservation du nombre de charge : 88 = Z + 2 soit Z = 88 – 2 = 86. On peut alors écrire l’équation complète de désintégration du radium : 88226 Ra24 He + 86222 Rn

2. La radioactivité « bêta moins » (β)

Un noyau radioactif se désintègre spontanément en donnant un autre noyau et un électron. (particule β). Elle concerne les noyaux atomiques qui ont trop de neutrons.

Schéma général :ZAXZ+1AY *10e

EXEMPLE

 92238 U93238 Np + 10e

 83210 Bi84210 Po + 10e

À nouveau le noyau fils est créé dans un état excité, il émet un rayonnement gamma pour se désexciter.

Propriétés des particules β.

L’électron étant bien plus petit que la particule α et surtout plus rapide, les collisions sur les atomes et les molécules du milieu sont moins fréquentes.

Exercice résolu

Énoncé

Le rhénium 186 (RZ186e) est radioactif β.

1. Quelle est la particule émise au cours d’une désintégration β– ?

2. Écrire l’équation de désintégration du rhénium noté (RZ186e) qui produit un noyau fils isotope de l’osmium noté (O76As) et le rayonnement β. En énonçant les lois utilisées, déterminer les valeurs de A et de Z.

Corrigé

1. Au cours d’une désintégration β, un électron est émis.

2. On peut alors écrire l’équation de désintégration du rhénium 186 : RZ186O76As+e-10

Pour déterminer les valeurs de A et de Z, il faut utiliser les lois de Soddy : au cours d’une transformation nucléaire, il y conservation du nombre de masse et conservation du nombre de charge.

– conservation du nombre de masse : 186 = A + 0 soit A = 186 ;

– conservation du nombre de charge : Z = 76 1 soit Z = 75.

On peut alors écrire l’équation complète de désintégration du rhénium : 75186 Re76186 Os + e-10.

3. La radioactivité « bêta plus » (β+)

Le nucléide 30 P n’existe pas naturellement, il est artificiel et est radioactif. Il se désintègre selon :

 1530 P1430 Si + 10 e

 Positron : particule β+

Schéma général : ZAX Z-1AY*+10e

4. La radioactivité gamma (γ)

Lors d’une réaction nucléaire, α ou β, le noyau formé est initialement dans un état « excité », à cause du bouleversement important suscité par l’éjection de la particule α ou β. Le noyau retrouve son état fondamental en émettant l’excès d’énergie sous forme de radiations ou photon γ.

X*ZAXZA+nγ

Ces rayons sont très pénétrants : ils peuvent traverser plusieurs mètres de béton ou dizaines de centimètres de plomb.

3La décroissance et la demi-vie

A L’activité

L’activité A(t) au temps t, est le nombre de désintégrations par unité de temps : l’activité d’un radioélément peut être mesurée avec un compteur Geiger Muller. Elle dépend du nombre de noyaux présents et du radio nucléide.

L’activité s’exprime en becquerel (Bq) : un becquerel correspond à une désintégration par seconde.

Exercice résolu

Énoncé

Un échantillon a une activité A égale à 400 becquerels. Ceci correspond à :

A. 400 désintégrations par seconde.

B. 400 désintégrations par minute.

C. 2400 désintégrations par seconde.

Corrigé

Un becquerel correspond à une désintégration par seconde, donc une activité de 400 becquerels équivaut à : A. 400 désintégrations par seconde.

B La demi-vie radioactive

Un échantillon contient des noyaux d’iode radioactifs β- I53131. On donne l’évolution de l’activité de cet échantillon en fonction du temps sur le graphe ci-dessous :

12050_02_89_stdi

On appelle demi-vie radioactive t1/2 (ou période), le temps au bout duquel l’activité est divisée par deux, c’est-à-dire où la moitié du nombre de noyaux initialement présents s’est désintégrée.

Pour le noyau précédent, il faut 8 jours pour que l’activité soit divisée par 2 en passant de 1 000 à 500 becquerels : c’est temps appelé « demi-vie radioactive » de l’iode 131. On remarque qu’il faut à nouveau 8 jours pour que l’activité passe de 500 à 250 becquerels. Et ainsi de suite. Cette demi-vie radioactive ne dépend pas de l’activité.

Quelques exemples de radio nucléides et leurs demi-vies :

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Les demi-vies radioactives sont très différentes d’un élément radioactif à un autre et même d’un isotope radioactif à un autre.

D’une manière générale, le graphe d’évolution de l’activité au cours du temps a cette forme :

12050_02_90_stdi

Au bout d’une demi-vie, l’activité est divisée par 2 : A = Ao2 ; après 2 demi-vies l’activité est redivisée par 2, soit 4 depuis le début : A = Ao4 = Ao22.

Lorsque l’on a atteint 10 demi-vies, l’activité de l’échantillon est considérée comme négligeable par rapport au début (elle a été divisée par 210).

Exercice résolu 1

Énoncé

Au bout de 2 demi-vies, l’activité d’un échantillon est :

A. divisée par 2

B. divisée par 4

C. inchangée.

Corrigé

Au bout de n demi-vies, l’activité est divisée par 2n, A = A02n .

L’activité est : B. divisée par 4 au bout de 2 demi-vies, car l’activité est divisée par 2 au bout de chaque demi-vie.

Exercice résolu 2

Énoncé

L’isotope 99 du molybdène, noté M4299c est un radionucléide utilisé dans une grande majorité des examens de médecine nucléaire, Il peut être associé à de nombreuses molécules ayant un intérêt biologique et il est relativement peu coûteux par rapport à d’autres isotopes.

Sa demi-vie t1/2 est de 6 h.

L’activité d’une dose utilisée lors de l’injection à un patient est A0 = 5,6 × 107 Bq à l’instant t = 0.

3. Définir la « demi-vie ».

4. Quelle sera l’activité A1 de la dose utilisée au bout de 6 heures ?

5. Quelle sera son activité A2 au bout de 12 heures ?

6. à combien de demi-vies correspondent 120 heures ?

7. Que peut-on dire de l’activité A au bout de 120 heures ?

Corrigé

1. La demi-vie d’un nucléide radioactif est le temps au bout duquel l’activité est divisée par 2.

2. L’activité A1 sera alors égale à la moitié de A0, soit A1 = 2,8 × 107 Bq.

3. 12 h = 2 t1/2, ainsi l’activité sera divisée par 4. A2 = 7,0 × 106 Bq.

4. 120 heures correspondent à 20 demi-vies.

5. L’activité A est alors négligeable.

4La protection contre les risques des rayonnements

Lorsqu’un corps est irradié ou contaminé, il reçoit de l’énergie de la part du rayonnement absorbé.

A La dose absorbée

Elle est notée D et elle est égale au rapport de la quantité d’énergie reçue E par la masse m de matière irradiée : D = Em

L’énergie reçue E est en joule (J), la masse m de matière irradiée en kilogramme (kg) et la dose absorbée s’exprime en Grays (Gy).

Ainsi, une dose de 1 gray correspond à 1 joule par kilogramme 1Gy = 1 J.kg-1.

EXEMPLE

Un individu de masse m = 85 kg est irradié par une source de rayons X. Il reçoit une énergie E = 3,0 mJ. La dose absorbée est calculée D = Em = 3,0×10385 = 3,5 × 10-5 Gy.

B La dose équivalente

Les différents rayonnements n’ont pas les mêmes effets biologiques pour une même énergie reçue ; la dose équivalente H permet d’en tenir compte :

H = wR × D

Avec wR facteur de pondération dont la valeur dépend du rayonnement, sans unité.

H, la dose équivalente s’exprime en sieverts (Sv).

D, la dose absorbée est en gray (Gy).

Remarque :

– Le facteur de pondération est compris entre 1 et 20 selon le rayonnement considéré.

– Une dose équivalente de 1 sievert est énorme, on utilise plus souvent le millisievert (1,0 mSv = 1,0 × 10–3 Sv).

– Les doses reçues s’ajoutent.

EXEMPLE

Un individu absorbe une dose D = 3,0 × 10–4 Gy lors d’une irradiation avec des particules alpha. Dans ce cas, la valeur du facteur de pondération wr est 20. Calculer alors la dose équivalente reçue.

La dose équivalente H reçue vaut donc H = wr × D = 20 × 3,0 × 10–4 = 6,0 × 10–3 Sv = 6,0 mSv.

La dose reçue est grande.

Remarque

La CIPR (Commission de protection radiologique) recommande des doses inférieures à 5 millisievert par an. En France, l’irradiation moyenne vaut 2,4 mSv.an–1.

C Les dangers et les moyens de protection

Une personne peut être exposée de deux manières :

– soit par une exposition externe : l’irradiation ;

– soit par une exposition interne : la contamination (elle peut se faire par inhalation, par ingestion de substance radioactive ou de manière cutanée).

Cette exposition aura alors différents effets biologiques : somatiques (sur l’organisme) ou génétiques.

Les effets somatiques apparaissent sous forme de malaises, vomissement, nausées. La peau peut aussi être brûlée. Les défenses immunitaires peuvent être réduites. Des cancers peuvent apparaître, tels que la leucémie, de manière d’autant plus probable que l’irradiation est forte.

Au niveau génétique, une personne irradiée ou contaminée peut devenir stérile ou subir des dégâts graves : modification de l’ADN (mutations génétiques) ou des chromosomes.

La radioprotection est l’ensemble des mesures qui tendent à protéger les personnes des irradiations ou des contaminations. Il faut agir sur tous les points possibles en éloignant la source des techniciens, en réduisant la dose reçue et la durée d’exposition. Le personnel travaillant dans un environnement de sources nucléaires (médecine ou centrale nucléaire) doit porter des vêtements protecteurs et se tenir à l’abri derrière des écrans sûrs (utilisation de plomb). Le travail à proximité de la source doit être limité dans le temps. De plus, un compteur de dose absorbée est accroché aux vêtements.