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Radioéléments
Historique sur la radioactivité
Röentgen: en 1895 découvre les Rayons X
Henri Becquerel :
• Radioactivité: découverte en 1896 par Becquerel, qui travaillaitsur le rayonnement X, que Röentgen avait découvert par hasard
• Il observa que des sels d’uranium impressionnaient à l’obscuritéune plaque photographique;
• Il en conclut : l’uranium émettait un rayonnement
Pierre et Marie Curie:
Poursuivent ensemble les travaux sur la radioactivité naturelle
découverte en 1896 par Henri Becquerel, à partir d'un sel
d'uranium , En 1898 appelèrent ce phénomène Radioactivité
Différents types de radioactivité
Différents types de radioactivité
L’atome:
Elément chimique qui forme la plus petite quantité de matière.
L’atome est constitué de particules élémentaires: nucléons et électrons.
• Le Noyau:
- Diamètre noyau 10-14 m 10 000 fois plus petit que celui de l’atome
- Nucléons: somme des Neutrons (N) et des Protons (Z)
• Le cortège éléctronique: Les électrons (é) occupent un volume plus
grand et gravitent autour du noyau.
Nucléons:
Somme du nombre de neutrons et de protons : nombre de masse : A
Protons (p) : Z Charge élémentaire positive: 1,6.10-19 C (Coulomb)
Neutrons(n): N particules neutres sans charge
Masse (m) : mp mn 1,67.10-24 g = 1,67.10-27 kg ;
Nombre Z protons : c’est le nombre atomique
Différents types de radioactivité
Le noyau
Masse é au repos: 0,9.10-27g :1800 + faible / masse du nucléon
Électron: charge élémentaire négative: -1,6.10-19C (Coulomb)
Nombre d’électrons de l’atome varie selon Z: Numéro atomique
L’électron est l’agent des réactions chimiques
Atome : « édifice » électriquement neutre où:
- Z électrons = Z protons
- Masse atome masse noyau
Différents types de radioactivité
Les electrons
X: Symbole chimique de l’élément (Na; K; Cl; Fe, Zn..)
N = A - Z A: Nombre de Nucléons (n+p)
• A : nombre de masse = N+Z
• Z: Nombre de protons donc d’é = Numéro Atomique
• N: neutrons (ne figure pas toujours)
12
6C (carbone)
89Y (Yttrium)
39
6é (-6xé ); 6n; 6p(+ 6xé) 39é (89- 39 )n; 39p
Différents types de radioactivité
representationA
ZX
N
Isotopes
Eléments : mêmes propriétés chimiques :
Z constant mais A donc N
•L’Hydrogène :1 2 3H H H1 1 1
Hydrogène Deutérium Tritium*
•L’Uranium Naturel : trois Isotopes radio-actifs :234
92
235U
92
14
238U
92U
12Le carbone 14: C Le carbone 12: C6 6
Différents types de radioactivité
Isobares - Isotone - Isomères
Isobares : A = constant et Z
60
30
30 60 31 60 32
Zn Cu Ni29 28
Les transformations spontanées conservant A : isobariques.
Isotones : N = constant et Z
N= 28 (52Cr; 54Fe…) ; N=50 (86Kr, 87Rb,…)
N=82 (136Xe; 138Ba…)
Isomères : noyaux identiques mais états d’énergies différentes
99m 99T c Tc
43 43
Différents types de radioactivité
Différents types de radioactivité
• La radioactivité est un phénomène
spontané ou aléatoire
• Origine : l’instabilité de la structure du
noyau.
• Le noyau instable émet de façon
spontanée, un rayonnement : il s’agit
d’une transformation radioactive .
•La stabilité nucléaire, cas de la plupart
des éléments naturels, dépend de
l'équilibre entre neutrons et protons
qui composent le noyau.
a ou fission
La "vallée de stabilité"
Zone 1
b-
Zone 2
CE et b+
Z2
Diagramme de Segré
Différents types de radioactivité
Courbe de stabilité
On distingue 3 zones d’instabilité nucléaire
• Zone 1: Excès de N :désintégration β -
• Zone 2 : Excès de Z : désintégration β+ et capture électronique ( CE )
• Zone 3 : Excès Z + N située au delà de La « vallée de stabilité » (VS)
où les noyaux sont volumineux : ( désintégrations α et fission )
• Jusqu’à Z = 20 : la VS se situe : 1ère diagonale où N =Z
• Pour des valeurs Z > 20, la VS s’écarte de la diagonale, la stabilité du
noyau n’est assurée que si N > Z ( ≈ 1,5 fois plus)
• L’excès de N contrebalance les forces de répulsion coulombiennes
des protons qui tendent à diminuer la stabilité du noyau,
Différents types de radioactivité
Transformations radioactives
• Le noyau instable tend à évoluer vers un état stable, en émettant de
façon spontanée, un rayonnement : transformation radioactive .
• Cette transformation est de deux types:
• 1/ Excès de nucléons : aboutit à une désintégration, dans ce cas:
- le nombre de protons change, donc le numéro atomique Z ≠
- on obtient un élément chimique différent de l'élément de départ
• 2/ Excès d’énergie: aboutit à une désexcitation sans changement de Z
- l'élément d'arrivée est le même que l'élément de départ
- Ce type de radioactivité succède au premier type
Différents types de radioactivité
Deux types de radioactivité
1/ Excès de nucléons:
Transformation radioactive est une désintégration:
4• Globale : particules alpha: a : 2 He ( noyau d’Hélium)
• Neutron : n p + e- : émission (b-)
• Proton : deux possibilités de transformations :
- p n + e+ : émission (b+)
– e- + p n : CE : « capture électronique »
Différents types de radioactivité
2/ Excès d’énergie :
• Après une désintégration le noyau reste souvent « excité »
• Transformation radioactive : désexcitation ou transition
- conversion interne: l’énergie est communiquée à un e- qui
sera éjecté
- radioactivité gamma g : énergie émise sous forme d’un
photon d’origine nucléaire
- Production de paire interne (e+, e-)
Différents types de radioactivité
Définition:
Les radioéléments (appelés encore radioisotopes ou radionucléides)
sont des atomes dont les noyaux sont radioactifs.
Exemple:
l'iode-131 e le césium-137, produits dans les réacteurs, sont des
radioéléments qui ont les mêmes propriétés physiques et chimiques
que les atomes d'iode et de césium présents dans la nature ne sont
pas radioactifs.
Radioélément
La loi de décroissance radioactive a été formulée dès 1903 par Rutherford.
Cette loi de décroissance est exponentielle.
Elle est caractérisée par une quantité appelée période radioactive ou demi-vie.
Loi de decroissance radioactive
Loi de decroissance radioactive
La "période" d’un noyau radioactif est une de ses principales caractéristiques.
La période donne une idée de la rapidité de sa désintégration et du temps pendant lequel il faudra prendre en compte sa radioactivité.
C’est une durée dont la valeur peut aller de la fraction de seconde au milliard d’années.
Trois noyaux radioactifs naturels possèdent une période supérieure au milliard d'années (potassium-40, thorium-232 et uranium 238) alors que la période du polonium 214, un descendant de ce même uranium 238, n'est que de 0,16 milliseconde.
Loi de decroissance radioactive
Les lois de la radioactivité
lconstante radioactive ou probabilité de désintégration:
caractéristique du radionucléide , ne dépend :
- ni des conditions physiques ou chimiques,
- ni de l’âge de l’atome
Expression du nombre d’atomes N
en fonction du temps
N (t) : présents à l’instant t
dN : se désintègrent entre t et t + dt
∫ dN / N = - ∫ ldt + cte
dN = - l N (t) dt ; d‘où
dN / dt + lN = 0
ln N = - l t + cte ; à t = 0 : N = N (0) = cte
ln N = - l t + ln N(0) et ln N / N (0) = - l t
N / N(0) = e-lt N (t) = N (0) e-lt
Le nombre d’atomes décroît exponentiellement avec le temps.
Période radioactive : T
•Temps T : le nombre d’atomes a diminué de moitié
N(T) = N (0) e- lt = N(0) / 2
e-lt = ½ e+lt = 2
lT = ln2 = 0,693; T = 0,693 / l
•T: caractéristique d’un radio-isotope; non modifiée par des influences
extérieures ( température q, pression…)
•T : Fraction de secondes
12
Milliards d’années
2385
B : T = 0,02 sec; U: T = 4,5 milliards années
N(t)
N(o) -
N(0)/2-
N(0)/4-
N(0)/8-
T
ln N
ln N(0) -
ln N(0)/2-
2T 3T t T t
Variation du nombre d’atomes* en fonction du temps
Definition de l’activité :
L'activité d’un échantillon de matière radioactive est définie par
le nombre des désintégrations qui se produisent en son sein
à chaque instant.
Cette activité est une caractéristique primordiale de cet
échantillon avec la nature des rayons émis. Elle représente sa «
radioactivité de base ».
Quand l’échantillon contient plusieurs éléments, l’activité
totale est la somme des activités de chaque élément.
On définit officiellement l'activité d'un échantillon de
matière radioactive comme le nombre de désintégrations
qui s'y produit par seconde.
L’activité A
L’activité A
• N (t) = N (0) e-lt : variation N en f (t);
• Or ce qu’on mesure c’est l’activité: A d’une source
• = nombre de désintégrations par unité de temps.
• A (t) = dN/dt = l N(t);
• A (t) = l N (0) e- lt soit A (0) t = 0
A (t) = A (0) e- lt
Unités d’activité
• Unité d’activité actuelle et légale :
BECQUEREL : Bq
• 1Bq = 1 désintégration / seconde
• Unité ancienne et classique : CURIE : Ci
• 1 Ci = 3,7.1010 Bq:
• C’est l’activité de 1g de226
Ra88
• 1 m Ci = 3,7.107 Bq = 37 MBq
L'activité d'un radioélément varie en sens inverse de sa durée de
vie.
Elle est d'autant plus faible que sa période est longue.
Plus un nucléide vit longtemps, moins il est radioactif (une bougie
brûlant à petit feu met du temps à se consumer).
C'est ainsi que dans l'uranium-238 qui vit 4,5 milliards d’années,
un noyau seulement sur 45 millions se désintègre au bout d'un
siècle.
Cette rassurante lenteur n'empêche l'uranium d'être présenté
dans les media comme un dangereux corps radioactif.
À l’opposé, un radioélément comme l'oxygène-15, utilisé en
imagerie médicale, disparaît en quelques minutes (l'éclat d'un feu
d'artifice est bref).
Une quantité très faible de cet isotope de l’oxygène suffit pour observer une activité significative.
Activité de quelques « sources »
radon (222Rn) contenu dans 1 m3 d'air atmosphérique : 5 Bq
minerai d'uranium à 10% (activité uranium) : 1,3 104 GBq par kgsources pour la gammagraphie industrielle : 4 à 40 GBq
sources de 60Co pour la radiothérapie : 75 à 200 103 GBqbombe atomique à fissions : 7,4 1013GBq (1 min après l'explosion !)
Notre corps : 12000 Bq (6000 dus au 40K) T 109 ans
Milieux naturels
Eau de pluie 0,3 à 1 Bq/l
Eau de rivière 0,07 Bq/l (226Ra et descendants)
0,07 Bq/l (40K)
11 Bq/l (3H)
Eau de mer 14 Bq/l (40K essentiellement)
Eau minérale 1 à 2 Bq/l (226Ra, 222Rn)
Sol sédimentaire 400 Bq/kg
Sol granitique 8000 Bq/kg
Appareillage de mesure de l’activité
Les rayonnements émis par les atomes radioactifs se mesurent
grâce à divers appareils ou matériaux :
•les tubes compteurs à gaz (compteur proportionnel, compteur
Geiger-Müller, chambre d’ionisation, etc.),
•les scintillateurs couplés à des photomultiplicateurs,
•les matériaux dits "semi-conducteurs" (silicium, germanium).
Extrêmement sensibles, ces détecteurs mesurent couramment
des activités un million de fois inférieures aux niveaux qui
pourraient avoir des effets nocifs sur la santé.
En pratique: débitmètre ou contaminamètre…?
• Contaminamètre
Indique la présence de substances radioactives ou d’une contamination mais ne dit rien du danger potentiel d’irradiation !
coups par seconde….(Bq)
• DébitmètreMesure de l’irradiation externe (Débit de dose absorbée
ou dose absorbée) à proximité d’une source de rayonnements ionisantsTient compte de l’E du rayonnement et de son intensité
en µGy/h (µSv/h), mGy/h (mSv/h), mGy ou mSv.
Détection et mesure des radiations
• Principe des détecteurs: perte d’E par les rayons dans un milieu spécifique avec répartition de E entre des états excités du détecteur,
• 2 grands types d’interaction des rayons avec la matière
– Ionisation: production d’ions et d’électrons dans un milieu ionisé et mesure de la quantité totale d’électricité
– Excitation: quanta de lumière émis par des centres excités dans un matériau « scintillant » lors du retour à l’état fondamental. Grâce à une surface photo-électrique, émission d’électrons avec mesure de la quantité totale d’électricité
Les compteurs Geiger-Müller
Principe de fonctionnement : Le compteur
est très schématiquement constitué d’un cylindre
en aluminium dont les parois sont de l’ordre du
millimètre, rempli d’un gaz rare à basse pression.
Les compteurs Geiger-Müller
• Lorsqu’une particule chargée
traverse le détecteur, elle ionise le
gaz contenu dans le cylindre.
• Les électrons d’ionisation sont
accélérés vers l’anode centrale et
subissent une importante
multiplication.
• L’impulsion électrique collectée en
sortie signe le passage d’une
particule dans le compteur.
Un détecteur à scintillation également appelé compteur à scintillation ou plus
souvent scintillateur est un instrument composé d'un matériau qui émet de la lumière
suite à un dépôt d'énergie par interaction d'un rayonnement.
Il existe deux grandes familles de scintillateurs :
• des scintillateurs organiques ,
• des scintillateurs inorganiques qui sont utilisés en monocristaux ou en poudre
(principalement des halogénures alcalins).
Les scintillateurs sont utilisés en général de deux manières :
1/ sous la forme d'un écran fluorescent, permettant la visualisation à l'œil nu ; cet
écran est maintenant souvent couplé à une caméra numérique qui permet une
acquisition informatique ;
2/ sous la forme d'un détecteur à scintillation : la lumière (photons) émise par le
matériau scintillant est amplifiée par un photomultiplicateur (PM), puis les photons sont
comptés.
les scintillateurs couplés à des
photomultiplicateurs,
Dosage par Dilution isotopique
Elle permet de faire des analyses quantitatives exactes
dans les cas où une séparation chimique quantitative est
impossible ou très laborieuse.
Elle nécessite la disponibilité d’un radio-isotope de
l’élément à doser.
Dosage par Dilution isotopique
Dosage par dilution isotopique
Exemple: le dosage du baryum
Le dosage du Baryum contenu dans une solution , il faut
disposer d’une solution de concentration connue de baryum
radioactif. On réalise alors les opérations suivantes:
Dans les deux récipients on introduit la même masse, m0 , de
Baryum radioactif d’activité A0
Dans le récipient (2), on ajoute la solution à doser (10 cm3 par
exemple) contenant une masse m de Baryum
Dosage par dilution isotopique
On traite alors les deux solutions dans les mêmes
conditions . On obtient dans les deux cas une
masse de précipité de sel de baryum dans l’activité
est a:
La connaissance de ces quatres nombres et celle de m0 permettent de calculer m.
)( *2 xab
AA
A’ : L’activité initiale totale injectée après le temps de dilution
b: quantité extraite avec une activité A2
a*: masse de l’isotope
x: masse à determiner
Exemple: Dosage par dilution isotopique
On veut déterminer la quantité d’une Hormone dans les urines d’un patient
On ajoute à 1l d’urine 10µg de cette hormone marquée
la période du radioélément T = 16 heures et la durée de l’expérience t = 8 heures
X ?
10 µg H*
A = 104 imp/mn
T=16h
6µg H*et H
A2 = 1440 imp/mn
t = 8h
Le principe de la dilution isotopique implique que l’ activité totale injectée est
retrouvée après dilution; cependant dans ce cas le temps écoulé durant
l’expérience n’est pas négligeable devant la période du radioélément utilisé
L’activité initiale totale injectée après 8h A’ est de :
mnimpA /104
mnimpA
AT
t/7071
2
10
2 168
4
)( *2 xab
AA
Nous avons alors dans la quantité extraite b une activité A2 telle que :
)10(6
14407071 x
Application numérique :
x1046,29
µgx 46,19
Determination de la periode biologique
Lorsqu’un radioelement est introduit dans l’organisme, sa concentration sanguine varie
au cours du temps non seulement en raison de sa decroissance radioactive (physique),
mais aussi du fait de sa fixation et son elimination biologique.(biologique)
La variation de l’activité du radioélément résultant de ces deux phénomènes est
exprimé en fonction du temps selon:
A (t) = A0 e- lpt
. e- lbt
A (t) = A0 e- (lpt+lbt)
A (t) = A0 e - leff
t
leff =lphysique +l biologique
ln2/Teff = ln2/Tphysique + ln2/Tbiologique
biolphyseff TTT
111
Exercice VI : B / Période Biologique
On injecte à un sujet un corps radioactif de période physique
Tphys= 24 jours
On prélève 5 ml on obtient : S1 = 24460 cps/mn/5ml
Après 12 jours on prélève 10ml on obtient : S2 = 12230 cps/mn/10ml
Pour déterminer la période biologique nous allons dans un premier temps
déterminer la période effective
biolphyseff TTT
111
Nous allons déterminer l’activité spécifique des 2 prélèvements :
mlmncpsV
SS //4892
5
2446011
mlmncpsV
SS //1223
10
1223022
Par ailleurs on a :
effectifTt
SS
2
12
Détermination de la période effective :
41223
48922
2
1
S
SeffectifT
t
joursTeffectif
Tt
effectif 642
biolphyseff TTT
111
physiqueeffectifbiol TTT
111
8
1
24
3
24
1
6
11
biolT
joursTBiol 8.