Le noyau : protons, neutrons et la vallée de la stabilité
Un noyau, c’est Z protons et N neutrons, A = Z + N nucléons, tassés dans quelques femtomètres (10⁻¹⁵ m), cent mille fois plus petit que l’atome. Les protons se repoussent électriquement ; l’interaction forte, à très courte portée, les colle malgré tout. Des isotopes ont le même Z (même élément, même chimie) mais un N différent : le carbone 12 est stable, le carbone 14 ne l’est pas ; l’iode 127 de la thyroïde est stable, l’iode 131 qu’on lui donne en traitement ne l’est pas.
Quatre façons de se désintégrer, trois portées très différentes
| Émission | Ce qui sort | Spectre | Portée | En médecine |
|---|---|---|---|---|
| α | noyau d’hélium (2p + 2n) : Z − 2, A − 4 | raies (énergie fixe, 4 à 9 MeV) | quelques cm d’air, arrêté par une feuille de papier ou la peau | inoffensif dehors, redoutable inhalé (radon) ; thérapie ciblée (radium 223) |
| β⁻ | électron + antineutrino : Z + 1 | continu (l’énergie se partage avec le neutrino) | quelques mm de tissu | thérapie interne : iode 131, lutétium 177 |
| β⁺ | positon + neutrino : Z − 1 | continu | 1 à 2 mm, puis annihilation avec un électron : deux photons de 511 keV opposés | PET : fluor 18 |
| γ | photon émis par un noyau qui se désexcite après α ou β | raies (140 keV pour le Tc-99m) | traverse le corps, atténué par le plomb | imagerie : scintigraphie, SPECT |
La loi de décroissance et la demi-vie
Un noyau radioactif donné ne vieillit pas : il a chaque seconde la même probabilité λ de se désintégrer. Sur une population, cela donne une décroissance exponentielle : au bout d’une demi-vie T½, la moitié des noyaux a disparu, quelle que soit la quantité de départ. L’activité A, le nombre de désintégrations par seconde (becquerel), suit la même loi.
| Isotope | Demi-vie | Émission | Rôle |
|---|---|---|---|
| Fluor 18 | 110 min | β⁺ | PET (FDG), produit au cyclotron le matin même |
| Technétium 99m | 6,0 h | γ 140 keV | 90 % des scintigraphies (os, cœur, thyroïde, poumons) |
| Iode 123 | 13 h | γ | imagerie de la thyroïde |
| Radon 222 | 3,8 j | α | gaz naturel des sols, première source d’exposition en Suisse |
| Lutétium 177 | 6,6 j | β⁻ + γ | thérapie ciblée (prostate, tumeurs neuroendocrines) |
| Iode 131 | 8,0 j | β⁻ + γ | traitement de l’hyperthyroïdie et du cancer thyroïdien |
| Cobalt 60 | 5,3 a | β⁻ + γ 1,2 MeV | anciennes bombes de radiothérapie, stérilisation |
| Carbone 14 | 5730 a | β⁻ | datation ; 3000 Bq dans ton corps |
| Potassium 40 | 1,25 Ga | β⁻, γ | 4000 Bq dans ton corps, depuis toujours |
| Uranium 238 | 4,5 Ga | α | l’âge de la Terre ; ancêtre du radon |
Dose, effets biologiques et radioprotection
Un rayonnement ionisant arrache des électrons aux molécules qu’il traverse. Les particules chargées le font directement ; les photons X et γ le font par les électrons qu’ils mettent en mouvement (effet photoélectrique, diffusion Compton). Dans une cellule, la cible qui compte est l’ADN, cassé directement ou par les radicaux libres nés de l’eau ionisée.
Le gray compte l’énergie déposée. Le sievert y ajoute deux pondérations : le type de rayonnement (une particule α fait vingt fois plus de dégâts qu’un photon pour la même énergie, parce qu’elle la concentre sur quelques microns) et la sensibilité de l’organe touché. La dose efficace permet de comparer un scanner du thorax, une année de fond naturel et un vol long-courrier sur la même échelle.
Deux familles d’effets
- Réactions tissulaires (déterministes) : au-dessus d’un seuil, plus la dose est forte plus le dommage est grave. Érythème cutané dès 2 Gy, cataracte vers 0,5 Gy, syndrome d’irradiation aiguë au-dessus de 1 Gy corps entier, décès probable sans traitement vers 4 Gy. Chez l’embryon, malformations au-dessus de 100 mGy entre la 3e et la 8e semaine.
- Effets stochastiques : cancers et effets héréditaires. Pas de seuil démontré : c’est la probabilité, non la gravité, qui croît avec la dose, d’environ 5 % de cancer mortel supplémentaire par sievert. Un scanner de 10 mSv, c’est un risque de l’ordre de 1 sur 2000, à mettre en balance avec le bénéfice diagnostique.
Voir une fonction : scintigraphie et PET. Traiter : radiothérapie
Un radiopharmaceutique, c’est un vecteur (une molécule qui va là où on veut regarder : un phosphonate vers l’os, un sucre vers les cellules voraces) accroché à un radionucléide qui signale sa position. La scintigraphie et le SPECT détectent des photons γ uniques avec une gamma-caméra (collimateur en plomb, cristal scintillant, photomultiplicateurs) qui tourne autour du patient. Le PET exploite l’annihilation du positon : deux photons de 511 keV partent dos à dos, deux détecteurs opposés les captent en coïncidence, et la source se trouve quelque part sur la ligne qui les joint. Des millions de lignes plus tard, l’image est là.
| Scintigraphie, SPECT | PET | |
|---|---|---|
| Traceur | Tc-99m (γ 140 keV, 6 h), I-123 | F-18 (β⁺, 110 min), Ga-68 |
| Détection | photon unique, collimateur en plomb | deux photons de 511 keV en coïncidence, sans collimateur |
| Résolution | ≈ 10 mm | ≈ 4 à 5 mm |
| Dose efficace | 3 à 6 mSv | 7 mSv (F-18) + le CT |
| Production | générateur Mo-99/Tc-99m à l’hôpital | cyclotron proche, livraison quotidienne |
Radiothérapie : concentrer les grays sur la tumeur
La radiothérapie externe utilise un accélérateur linéaire qui produit des photons de 6 à 18 MV ou des électrons ; il n’y a plus de source radioactive dans la machine. Le traitement est fractionné, typiquement 2 Gy par séance, cinq fois par semaine, jusqu’à 60 ou 70 Gy : entre deux séances les tissus sains réparent mieux leur ADN que la tumeur, et l’écart se creuse. Les faisceaux arrivent de plusieurs directions (IMRT, arcthérapie) pour que la dose se concentre au croisement. La protonthérapie (PSI, Villigen) exploite le pic de Bragg : un proton dépose l’essentiel de son énergie en fin de parcours et rien derrière, idéal pour l’œil et les tumeurs de l’enfant. La curiethérapie place des sources scellées dans ou contre la tumeur (prostate, col de l’utérus) ; la radiothérapie interne vectorisée injecte un émetteur β⁻ ou α ciblé (I-131, Lu-177, Ra-223).
À toi de calculer
ln 2 = 0,693. Réponds avec un nombre, une tolérance de quelques pour cent est prévue.
Huit questions, une réponse juste par question
La fiche en huit lignes
A = Z + N · isotopes : même Z, N différentα (Z−2, A−4) · β⁻ (Z+1) · β⁺ (Z−1, 2 × 511 keV) · γ (photon)N = N₀ · 2^(−t/T½) · T½ = 0,693/λ · A = λNF-18 110 min · Tc-99m 6 h · I-131 8 jGy = J/kg · H = w_R·D · E = Σ w_T·H (Sv)radio thorax 0,02 · CT abdomen 10 · fond CH 5,5 mSv/antissulaires à seuil · stochastiques ≈ 5 %/Svjustification · optimisation · limitation · temps, distance, écran