Médecine nucléaire

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Classe(s) : Tle ST2S | Thème(s) : Médecine nucléaire

Médecine nucléaire

Certains noyaux sont radioactifs et émettent alors 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 XZA. Le rayon nucléaire est de l’ordre de 10−15 m.

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B 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. Deux isotopes de l’uranium sont U92235, U92238.

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.

2La radioactivité

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 fut 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.

Définition

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

A Les différents types d’émissions radioactives

Il y a quatre types de rayonnements différents :

– trois sont des particules de matière :

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

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B La radioactivité α

Un noyau radioactif alpha, 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 d’une désintégration α : ZAX 24He + Z2A4Y

EXEMPLES

84210Po24He + 82206Pb 88226Ra24He + 86222Rn

polonium plomb radium radon

C 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.

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Exemples

92238 U93238 Np + 10e

83210 Bi84210 Po + 10e

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

Méthode

Le rhénium 186 (ReZ186) est radioactif.

Quel nom porte la particule émise au cours d’une désintégration β ?

Écrire l’équation de désintégration du rhénium noté (ReZ186) sachant que le noyau fils obtenu correspond à un isotope de l’osmium noté (Os76A). En énonçant les lois utilisées, déterminer les valeurs de A et de Z.

Au cours d’une désintégration β, un électron est émis. On peut alors écrire l’équation de désintégration du rhénium 186 : ReZ186 Os76Ae10.

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 de désintégration du rhénium : 75186 Re 76186 Os + e10.

D La radioactivité « bêta plus » β+

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

1530 P1430 Si  + 10 e

 Positron : particule β+

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E 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.

ZA X*ZA X + nγ

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

3Loi de décroissance radioactive – Demi‑vie radioactive

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. Elle s’exprime en becquerel (Bq) : 1 Bq = 1 des.s–1.

Demi-vie radioactive

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

Quelques exemples de radio nucléides et leurs demi-vies :

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Les demi-vies radioactives sont très différentes d’un élément à un autre. D’une manière générale, le graphe d’évolution de l’activité au cours du temps a cette forme :

Au bout de 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.

Ainsi au bout de n demi-vies, l’activité est divisée par 2n, A = Ao2n.

L’activité de l’échantillon est supposée négligeable après 20 demi-vies.

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4Les effets des désintégrations radioactives

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

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 Gy. 1 Gy = 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.

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  où :

wR : le facteur de pondération dont la valeur dépend du rayonnement, sans unité

H : la dose équivalente en sieverts (Sv)

D : la dose absorbée en gray (Gy)

REMARQUES

• 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.

Les dangers

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).

Les moyens de protection

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 être à l’abri derrière des écrans sûrs (utilisation de plomb). Le travail à proximité de la source doit être limité dans le temps.

Les applications médicales

La médecine nucléaire utilise fréquemment des traceurs radioactifs : ce sont des molécules organiques qui se fixent sur un organe étudié. Un des atomes de la molécule est remplacé par un isotope radioactif : la molécule est « marquée ».

La médecine nucléaire a recours à différentes techniques :

– la scintigraphie est une méthode d’imagerie qui utilise un traceur radioactif : les doses reçues sont faibles. L’émission de rayon γ permet d’obtenir une image et de diagnostiquer des maladies au niveau de différents organes (cœur, foie, cerveau, poumon, squelette…) ;

– le traitement radiothérapeutique est employé pour le traitement des cancers, en détruisant les cellules cancéreuses sans atteindre les tissus sains. Les doses reçues sont plus fortes.

Les déchets médicaux radioactifs

Ils doivent être éliminés et traités. Selon leur durée de vie, ils seront confinés et traités sur place si leur demi-vie est courte (inférieure à 100 jours) ou alors ils seront pris en charge par l’ANDRA (Agence nationale pour les déchets radioactifs).