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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 travaillait sur le
rayonnement X, que Röentgen avait découvert par hasard
• Il observa que des sels d’uranium impressionnaient à l’obscurité une
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
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 6
C (carbone)
89 Y (Yttrium) 39
6é (-6xé ); 6n; 6p(+ 6xé)
39é (89- 39 )n; 39p
Différents types de radioactivité
representation A Z
X N
Isotopes
Eléments : mêmes propriétés chimiques :
Z constant mais A donc N
•L’Hydrogène : 1
2
3 H
H
H
1
1
1 Hydrogène
Deutérium
Tritium*
•L’Uranium Naturel : trois Isotopes radio-actifs : 234
92
235 U
92
14
238 U
92
U
12
Le carbone 14: C
Le carbone 12:
C
6
6
Différents types de radioactivité
Isobares - Isotone - Isomères
Isobares : A = constant et Z
60 30
30 60 31 60 32 Zn Cu Ni
29 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
99 T 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+
Z 2
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
l constante 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
238 5
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 de
226 Ra
88 •
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 kg sources pour la gammagraphie industrielle : 4 à 40 GBq
sources de 60Co pour la radiothérapie : 75 à 200 103 GBq bombe 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 sec….(Bq)
• Débitmètre Mesure de l’irradiation externe (Débit de dose
absorbée ou dose absorbée) à proximité d’une source de rayonnements ionisants
Tient 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 rayts dans un milieu spécifique avec répartition de E entre des états excités du détecteur
• 2 grands types d’interaction des rayts 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
• Autres processus – Mesure de la chaleur (Microcalorimètre)
– Réactions chimiques (accumulation de l’information jusqu’à lecture): dosimètre…
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 base
pression (on assimilera le gaz
interne à de l’air dont la pression est
de 100 Torr, soit 100/760 ième
de la pression atmosphérique).
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 (à base de composés benzèniques : anthracène,
naphtalène, stilbène, terphényle, etc.) que l'on retrouve sous forme de plastiques ou en
solution liquide .
des scintillateurs inorganiques qui sont utilisés en monocristaux ou en poudre
(principalement des halogénures alcalins).
Les scintillateurs sont utilisés en général de deux manières :
sous la forme d'un écran fluorescent, permettant la visualisation à l'œil nu ; cet écran est
maintenant souvent couplé à une caméra numérique (type CCD) qui permet une
acquisition informatique ;
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,
les scintillateurs couplés à des
photomultiplicateurs,
Dosage par dilution isotopique
1. Généralités et principe
La méthode de dosage par dilution isotopique, parfois désignée sous le sigle
IDA (Isotope Dilution Analysis) a été proposée pour la première fois en 1932
par Hevesy et Robbie.
Cette méthode d’analyse de traces a élargi considérablement son champ
d’application avec la découverte de la radioactivité artificielle qui permet
d’obtenir par irradiation de très nombreux radioéléments. Aussi, ce fut l’une des
méthodes radiochimiques les plus utilisées.
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
L’exploitation des résultats réside dans l’utilisation des rapports isotopiques.
Ces mesures sont faites par spectrométrie de masse, qui est la méthode la
plus sensible et la plus précise pour la mesure de rapport isotopique.
Pour le domaine de l’analyse organique, le principe consiste à ajouter aux
composés recherchés, des molécules au sein desquelles des atomes sont
remplacés par des isotopes stables.
Comme par exemple, la substitution d’un atome d’hydrogène1H par un atome
de deutérium 2D ou d’un atome de carbone 12C par un atome de carbone13C.
Ainsi, la similitude entre la molécule à doser et son homologue marqué
suppose le même comportement au cours du processus global d’analyse de
ces deux molécules.
La molécule d’intérêt et son homologue marqué sont alors doser
simultanément.
Dosage par dilution isotopique
Dosage par dilution isotopique
Exemple: le dosage du baryum
Methode classique: l’acide sulfurique ajouté précipite le sulfate de baryum que l’on
pèse.
Methode radiometrique: consiste à introduire de l’acide sulfurique marqué par du
souffre 35S . La pèse est alors remplacée par la mesure de la redioactivité du precipité
de sulfate de baryum
Dilution isotopique:
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
Exercice VI : A / 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
Période radioactive Période biologique Période effective
iode 131 8,0 jours 30 jours (thyroïde) 6,3 jours
plutonium 239 24 110 ans 100 ans (os) ~100 ans
La période biologique correspond au temps au bout duquel 50 % du corps
chimique aurait été éliminé de l'organisme par les voies naturelles (physico-
chimiques), si ce corps n'était pas radioactif, mais elle ne tient pas compte de
la décroissance radioactive propre des radioisotopes, qui fait également
disparaître une partie de l'élément.
Pour un radionucléide donné, l'élimination se fait à la fois par l'élimination
chimique de l'élément (qui a sa période biologique propre), et par la diminution
du nombre d'atomes de l'élément du fait de sa radioactivité (suivant sa période
radioactive propre, ou période physique). Pour les radionucléides, on définit la
période effective, qui correspond au temps au bout duquel l'activité dans
l'organisme aura été divisé par deux, du fait de ces deux décroissances.
C'est donc le temps nécessaire pour que la radioactivité spécifique des
molécules d'une population donnée ait diminué de moitié dans l'organisme,
suite à son élimination et à la décroissance radioactive du radionucléide. La
période effective est toujours plus petite que les deux autres.
Determination de la periode biologique
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 radioelement resultant de ces deux phenomenes est
exprimé en fonction du temps selon:
A (t) = A0 e
- lpt . e
- lbt
A (t) = A0 e
- (lpt+lbt)
A (t) = A0 e
- lefft
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
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.
