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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.