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PHYSIQUE – RESUME DE LA DEUXIEME PARTIE Niveau TST2S

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DEUXIEME PARTIE – PHYSIQUE ET AIDE AUX DIAGNOSTICS MEDICAUX CHAPITRE 4 – LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES ET LE PHOTON

1. Connaître l'ordre de grandeur des longueurs d'onde du spectre visible, de I'UV, de I'IR... [2] Classification des ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur d’ondes λ dans le vide exprimé en mètre Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par leur période T ou leur fréquence ν , qui sont reliés par les

relations : ν = 1T

; λ = c.T = cν

avec c en m.s-1 ; T en s ; ν en Hz ; λ en m.

(Rappels : La période est la durée d’une vibration de l’onde ; la fréquence est le nombre de vibrations par seconde ; la longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde pendant une période.) Célérité de la lumière dans le vide

2. Utiliser la valeur de la célérité de la lumière dans le vide dans différents calculs (cette valeur n’étant pas à connaître) [1]

La célérité de la lumière, notée c, est la vitesse de propagation de la lumière. Toutes les radiations électromagnétiques se propagent dans le vide (et aussi dans l’air) avec la même célérité : c = 3.108 m.s-1 = 300 000 km.s-1 (mais leurs longueurs d’ondes sont différentes) Le photon

3. Savoir que les interactions des ondes avec la matière se font par quanta d'énergie, le photon [3] Une onde électromagnétique de fréquence ν est formée de particules appelées photons qui transportent chacun une énergie E, donnée par la relation : E = h.ν avec E en Joule (J) ; ν en Hz ; h = 6,62.10-34 J.s : constante de Plank E =hc

λ c = 3.108m.s-1 ; λ en m

4. Appliquer la formule : E = h.ν » pour calculer l’énergie du photon, connaissant sa

fréquence ou sa longueur d’onde, et inversement [3] Cette formule peut s’écrire aussi : ν = E

h ou λ = h.c

E

5. Savoir que l'énergie du photon augmente avec la fréquence et diminue avec la longueur d'onde [3]

λ (en m) 10-12 10-8 4.10-7 8.10-7 10-3 1 103

rayons γ rayons X UV lumière IR micro-ondes ondes hertziennes visible

λ 10-3nm 10nm 400nm 800nm 1mm 1m 10km

rayons γ rayons X UV lumière IR micro-ondes ondes hertziennes visible


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Compléments sur les dangers électromagnétiques 6. Connaitre les rayonnements les plus et les moins dangereux [2] - Les photons des radiations électromagnétiques de courtes longueurs d’onde et de fréquences élevées

sont très énergétiques. Ces radiations ionisantes sont très dangereuses (rayons X et rayons γ) - Les photons des radiations électromagnétiques de grandes longueurs d’onde et de fréquence peu élevées

n’ont pas assez d’énergie pour produire des ions au contact de la matière. Ces radiations non ionisantes sont donc moins dangereuses (ondes hertziennes, micro-ondes, IR, lumière visible, UV).

7. Enoncer quelques effets de ces rayonnements sur le corps humain [2]

Rayonnements Effets de ces rayonnements Ondes hertziennes (ou ondes radio)

(Utilisées dans la T.V., radio, téléphone portable…) Echauffement des tissus exposés

Micro-ondes (Utilisés dans les fours à micro-ondes, les télécommunications, réseaux internet…)

Brûlures superficielles ou plus importantes (si l’appareil est défectueux, ou en cas de puissances

élevées) IR

- Sources : Tous les corps chauds comme le Soleil, plaques chauffantes, les lampes à incandescence, le

corps humain - Utilisés en thermographie, en kinésithérapie pour

réchauffer un muscle

- Les I.R. absorbés par un corps provoquent une élévation de température.

- Pratiquement sans danger (mais peuvent être responsable de lésions au niveau du cristallin et de la

rétine)

Visible Les lumières très intenses (le laser) sont dangereuses pour la vue.

UV - Sources : Le Soleil, lampes à vapeur de mercure

- Utilisés pour la désinfection des instruments chirurgicaux…

- Bronzage par activation de la mélanine ; formation de la vitamine D

- Les rayons UVB et UVC sont les plus dangereux (Plus leur longueur d’onde est courte, plus ils sont dangereux) ; la couche d’ozone absorbe les UVC et une partie des UVB. Les UV en excès sont dangereuses : lésions de l’œil, risque de cancer de la peau.

- protection : limiter la durée d’exposition ; écran de protection : lunettes, crèmes solaires.

Rayons X - Sources : Le Soleil, le tube de Coolidge :

Les rayons X sont émis par les atomes d’un corps cible heurtés par des électrons à grande vitesse

- Utilisés en radiodiagnostics (radio, scanner), en radiothérapie Les facteurs d’absorption des rayons X : L’absorption des rayons X par la matière augmente lorsque : - l’épaisseur e du matériau traversé augmente - le numéro atomique Z de l’élément est élevé - la longueur d’onde λ du faisceau de rayon X est faible. Les rayons X sont absorbés plus fortement par les os (Z élevé) que la chair ou les muscles (Z faible). En radiographie (image sur film photographique), on obtient le négatif de l’image sur écran : les os apparaissent plus clairs que la chair.

- Nocifs à fortes doses ; vertiges, nausées, troubles digestifs, cataracte ; stérilité, cancers.

- Diminuer le temps d’exposition ; écran de protection : vitre, blouse ou tablier en plomb

Rayons γ (produits par les réactions nucléaires, les accélérateurs

de particules)

Non maîtrisés, ils sont extrêmement dangereux, ils peuvent traverser plusieurs mètres de béton et

provoquent de nombreux cancers. Ils sont utilisés avec les RX durs pour le traitement

des cancers.


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CHAPITRE 5 – MEDECINE NUCLEAIRE Le noyau atomique

1. Donner le nom des différents constituants du noyau [2] L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons gravitant autour du noyau. Dans le noyau, il y a les nucléons. On en distingue deux types :

- les neutrons (n) de charge nulle ; - les protons (p) de charge positive.

La masse de l’atome est concentrée dans le noyau. La représentation d'un noyau atomique est :

X est le symbole chimique ;

Z est le numéro atomique (ou nombre de charge) ; c'est le nombre de protons

A est le nombre de masse ; c'est le nombre de nucléons

Le nombre de neutrons est donc N = A – Z L’atome comporte également Z électrons. L’atome est neutre : il comporte autant de protons que d’électrons.

Un nucléide est l’ensemble des atomes ayant des noyaux identiques (même Z, même A). Il est noté ZA X .

Exemple : Quelle est la constitution du nucléide 613 C ?

Z = 6 et A = 13 ; Son noyau est constitué de 6 protons et 13 – 6 = 7 neutrons.

2. Définir le mot « isotope » [2] Des isotopes ont le même nombre de protons mais n’ont pas le même nombre de neutrons. Donc le nombre de nucléons est différent. (même Z ; A est différent ; même symbole chimique) Exemples : Isotopes de l'élément C: 6

126

136

14C C et C, Radioactivité La radioactivité correspond à la désintégration spontanée et aléatoire de noyaux instables (noyaux pères) en donnant de nouveaux noyaux (noyaux fils) accompagnée de l’émission de particules α, β-, β+ et d‘un rayonnement γ. Ces désintégrations peuvent être détectées par un compteur Geiger Muller ou de dosimètres (pellicules photographiques). 3. Connaître les effets (biologiques) des désintégrations radioactives [2] L’irradiation est produite par une source radioactive extérieure. La contamination est l’absorption d’une substance radioactive ou le dépôt d’une substance sur la peau. L'irradiation ou la contamination de l'organisme humain peut entraîner :

- des problèmes somatiques (malaises, vomissements, diarrhées ...) - des atteintes oculaires (cataracte) et cutanées (brûlures, lésions avec risques de cancer) - des problèmes sanguins (modification de la formule sanguine et risques de leucémie) - des atteintes à la fonction reproductrice (stérilité, mort ou malformations de l’embryon) - des effets génétiques (mutations du patrimoine héréditaire).

5. Calculer l’énergie du photon γ connaissant sa fréquence ou sa longueur d’onde. [3] Très souvent le noyau fils Y provenant d’une désintégration α et β est dans un état excité noté Y* ; il se désexcite en libérant de l’énergie sous forme d’un rayonnement γ Equation de l'émission γ :

ZA Y* → A

ZY + 00γ

Pour calculer l’énergie du photon émis γ connaissant sa fréquence ou sa longueur d’onde, on applique la relation E = h c

λ= hν

ZA X


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4 et 6. Distinguer les particules α, β (β-, β+) et le rayonnement γ et écrire les équations des réactions nucléaires en utilisant les deux lois de conservation [3]

Toute réaction nucléaire vérifie les deux lois de conservation :

- la conservation du nombre de charge Z

- la conservation du nombre de nucléons A

La radioactivité α.

Elle correspond à la production de noyaux d'hélium 24 He .

Equation de la désintégration α : ZA X → A−4

Z−2Y +

42He +

00γ

Exemple : 88226 Ra →

22286

Rn + 42He +

00γ

La radioactivité β-.

Elle correspond à la production d'un électron 0

−1e.

Equation de la désintégration β− : ZA X →

AZ+1

Y + 0−1

e + 00γ

Exemples : 614 C →

147

N + 0−1

e + 00γ

La radioactivité β+.

Elle correspond à la production d’un positon (ou anti électron) 01e.

Equation de la désintégration β+ : ZA X →

AZ−1

A + 01e +

00γ

Exemple : 1530 P →

3014

Si + 01e +

00γ

Activité et période radioactive 7. Définir l’activité d’un échantillon radioactif comme étant le nombre de désintégrations par seconde [2] L’activité A d’une source est le nombre de désintégration par unité de temps. 8. Donner l’unité d’activité, le becquerel (Bq) [2] L'unité d'activité est le becquerel (Bq) 1 Bq = 1 désintégration/s

9. Définir la période (ou demi-vie) d’un échantillon radioactif, indiquer son importance et ses conséquences [2] La période ou demi-vie, notée T (s’exprimant en secondes), d’un élément radioactif est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux d’atomes radioactifs se sont désintégrés. On la note T ; elle s'exprime en s.

Exemple: 131I (8 jours)


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Exercice : Complétez le tableau ci-dessous et tracez la courbe de décroissance radioactive N = f(t).

Exercice : L'activité d'une source 131I est A = 1,1.106 Bq. Sachant que l'activité d'une source suit la loi de décroissance radioactive, quelle est son activité au bout :de T= 8 jours ? A

2 = 5,5.106Bq ; de 24 = 3T jours ? A

23=

A8

=1,4.105Bq ; de 20T= 20x8=160 jours ? A~1Cet échantillon est inactif au bout de 160 jours.

10. Savoir qu'au bout d'un temps égal à environ 20 fois la période du radioélément, l'échantillon qui le contient est considéré comme inactif [2] Au bout d’un temps égal à environ 20 fois la période du radioélément, l’échantillon est considéré inactif. Dose absorbée et équivalent dose 11. Définir la dose absorbée et l’équivalent dose [2]

On appelle dose absorbée l’énergie cédée au tissu par le rayonnement par l'unité de masse de matière irradiée.

DEm

= avec E : énergie (J) ; m : masse (kg) ; D : dose en gray (Gy)

L'équivalent de dose résulte du produit de la dose absorbée D par un facteur de qualité FQ.

ED = D x FQ avec D : dose en Gray (Gy); ED : équivalent de dose en Sievert (Sv) (D = 1 pour les rayonnements β, γ ; D = 20 pour les rayonnements α)

12. Connaitre leur rôle pour les personnes travaillant en zone soumise à des rayonnements [2] La dose absorbée et l’équivalent-dose permettent de mesurer l’exposition de ces personnes aux rayonnements ; ils sont utilisés pour la surveillance et la protection des populations et des personnes travaillant en zone soumis à des rayonnements.

- Le gray est l’unité utilisée pour caractériser les expositions ponctuelles, accidentelles ou liés à un traitement médical .

- Le Sievert est l’unité utilisée pour fixer des limites réglementaires d’exposition. (Voir livre) Effets des désintégrations radioactives 13. Connaître les dangers de la radioactivité, les moyens de protection. [2] Particules et rayonnement sont tous très dangereux pour l'être humain.

- particules α : peu pénétrantes (arrêtées par quelques cm d'air) mais très ionisantes; - particules β : peu ionisantes mais pénétrantes (arrêtées par quelques mm d'aluminium ou quelques centaines de mètres d’air)

date nombre de noyaux restants

0 N0

T N0/2

2T N0/22 = N0/4

3T N0/23 = N0/8

4T N0/24 = N0/16

20T ~ 1

nT N0/2n

N0

N : nombre de noyaux radioactifs

0 T 2T 3T t : temps

N0/2

N0/4 N0/8


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- rayons γ : peu ionisants mais très pénétrants (arrêtés par écrans de plomb ou de béton). En France l’irradiation naturelle est de 1,5 mSv/an; cette radioactivité est due au rayonnement cosmique (Soleil, étoiles) et au rayonnement de la Terre (roches). Pour le public, il ne faut pas que les irradiations externes dépassent 5 mSv/an.

La protection aux rayonnements peut être assurée par : - la réduction du temps d’exposition (le danger est proportionnel à la durée); - l'éloignement de la source - la mise en place d’écran de protection (béton, eau, feuilles de plomb).

Traceurs et scintigraphie, cobalthérapie 14. Expliquer le principe de la scintigraphie et savoir que les différentes applications nécessitent des traceurs appropriés différents. [2] Les différentes applications nécessitant des traceurs appropriés différents :

a) La scintigraphie : utilisée pour observer un organe et détecter des tumeurs à l’aide de traceurs radioactifs. Un traceur radioactif est une molécule organique, qui se fixe au niveau de l’organe étudié, et dans laquelle un des atomes a été remplacé par un de ses isotopes radioactif(le marqueur). L’émission de rayonnements γ permet d’obtenir les images (détectés par une caméra γ, appelée aussi caméra à scintillations). Remarque : Les marqueurs ont une demi-vie très courtes (quelques heures à quelques jours) ; ils peuvent être détectés à des doses très faibles et sans dommage pour l’organisme.

b) La tomographie par émission de positons (TEP) : permet de visualiser en 3D le fonctionnement d’un organe. Cette technique médicale utilise un radioélément émetteur de positons (exemple : 18F)

c) La radiothérapie : méthode de traitements des cancers par des rayonnements ionisants.

Traitement des déchets radioactifs médicaux 15. Savoir que les déchets radioactifs nécessitent un traitement, étant eux-mêmes radioactifs. [2] - Tout service d’imagerie médicale doit suivre ses déchets en les enfermant dans des containers particuliers jusqu’à ce que leur activité soit devenues minimes. Pour les déchets de T> 100jours, ils sont stockés, gérés et cédés à l’ANDRA (Agence nationale des déchets radioactifs). - Les déchets nucléaires sont classés en fonction de leur niveau d’activité et de leur durée de vie : les déchets de catégorie A, à vie courte et les déchets de catégories B et C, à vie longue. Le stockage dépend de la catégorie des déchets. (Voir documents vus en cours) ___________________________________________________________________________ CHAPITRE 6 – CHAMP MAGNETIQUE 1. Donner l'unité de champ magnétique SI : le tesla (T) [2] Placée en M, la sonde de Hall d'un teslamètre permet de mesurer la valeur du champ magnétique en ce point.

La valeur d'un champ magnétique est notée B ; elle s'exprime en Teslas (T) 2. Savoir que 1T (1 Tesla) représente un champ magnétique intense [2] 3. Savoir que le sens et la direction du champ magnétique sont donnés par l'axe sn d'une aiguille aimantée [2] Placée en M, l'aiguille aimantée nous permet de connaître direction et sens de B en ce point.

Au point M, le vecteur champ magnétique :

- a la direction x'x de l'axe de l'aiguille aimantée,

- a le sens S(sud) → N(nord) de l'aiguille aimantée.

B x

x'

B M

•

s

n


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4. Tracer le vecteur champ magnétique dans une bobine [2] a) Un solénoïde est constitué d’un fil de cuivre recouvert d’un isolant et bobiné sur un cylindre droit. On appelle spire chaque cercle de fil qui constitue la bobine. Le solénoïde parcouru par un courant se comporte comme un courant : il possède deux faces N et S dont les positions dépendent du sens du courant dans l'enroulement. Règle : La face sud est celle devant laquelle il faut se placer pour voir le courant circuler dans le sens des aiguilles d’une montre.

b) Spectres magnétiques à l’intérieur du solénoïde A l’intérieur du solénoïde, Les lignes de champ magnétique sont parallèle à l'axe x'x du solénoïde: on dit que le

champ magnétique est uniforme (B est un vecteur constant). c) Valeur du champ magnétique à l’intérieur du solénoïde Le vecteur champ magnétique à l’intérieur du solénoïde : - est parallèle à l’axe du solénoïde - son sens est donné par la règle de la main droite : la main droite empoigne le solénoïde de façon à ce que le courant sorte par les doigts, le pouce tendu indique le sens du vecteur B

- sa valeur (dans le vide ou dans l’air) est BNL

I= µ 0

avec I : intensité du courant en Ampère (A) ; L : longueur de la bobine en mètre (m) ; N : nombre de spires de la bobine et µ0 = 4π.10-7 SI est la perméabilité magnétique du vide (ou de l'air).

Indication:Si l'on désigne par nNL

= le nombre de spires par mètre, on peut écrire B = µ0.n.I

+ _ G

I

x' x S N

Face nord Face sud


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5. Représenter et orienter les lignes de champ d’un barreau droit, d’un aimant en U et d’un solénoïde [2] Un spectre magnétique est caractérisé par un ensemble de lignes de champ.

En tout point de l'espace, le vecteur champ est tangent aux lignes de champ et il est orienté dans le même sens. L'observation d'un spectre magnétique peut s'effectuer à l'aide de limaille de fer. Les lignes de champs sortent par le pôle Nord et rentrent par le pôle Sud. D'après l'observation des spectres et l'orientation de l'aiguille aimantée, dessinez quelques lignes de champ magnétique créé par un aimant droit, puis par un aimant en U. Pour un aimant droit :

Pour un aimant en U :

Pour un solénoïde :

• M2

B1

ligne de champ

M1

B2

•


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6. Quelques ordres de grandeur de B [2] Aimant : 10-2 à 10-1T ; Champ magnétique terrestre : 5.10-5T (soit 50 µT) ; Champ magnétique utilisé en IRM : 0,5 à 3T 7. Création d'un champ magnétique intense [2] Plusieurs méthodes sont possibles (puisque B

NL

I= µ 0)

• Augmenter le nombre de spires N de la bobine. (ou augmenter n) • Augmenter la perméabilité magnétique µ du milieu.

On réalise un électroaimant en introduisant un noyau ferromagnétique (fer doux, alliage) à l'intérieur de la bobine

• Augmenter l'intensité I du courant dans la bobine → échauffement par effet Joule Un électroaimant supraconducteur permet d’obtenir des champs magnétiques très intenses (C’est la meilleure solution). Les champs magnétiques ainsi créés peuvent atteindre 15 à 20 T. 8. IRM, principe, intérêt et précautions [2] I.R.M : imagerie par résonance magnétique ; R.M.N. : résonance magnétique nucléaire L'I.R.M. permet d'observer les structures anatomiques de certains tissus et organes et donc de mettre en évidence certaines formes pathologiques. On l'utilise lors d'investigations : cérébrales (visualise les structures intra-craniennes dans tous les plans de l’espace et plus grande sensibilité que le scanner dans la détection des zones anormales) ; rachidiennes (exploration de la moelle épinière) ; cardiologiques Principe : La R.M.N. est obtenue en soumettant le corps du patient à un champ magnétique intense associé à une onde radiofréquence: les noyaux d'atomes d'hydrogène (protons) présents dans le corps humain s'orientent à la manière de minuscules aiguilles aimantées. Lorsqu'on cesse l'émission radiofréquence, les protons restituent de l'énergie sous forme d'un signal de R.M.N. Ce signal est traduit en image sur écran d'ordinateur : c'est l'imagerie par résonance magnétique (I.R.M.). Les appareils d’IRM Un système I.R.M comprend : - un électro-aimant supraconducteur permettant d’obtenir un champ magnétique uniforme et intense, - une antenne destinée à l’émission de l’onde électromagnétique et à la réception des signaux de relaxation, - un système informatique pour le traitement des signaux et la reconstruction de l’image. Avantages et inconvénients de l’I.R.M. Avantages :

- pas d'utilisation de rayons X comme en scannographie; - pas d'utilisation de traceurs radioactifs comme en scintigraphie.

Inconvénients : Pas nocif (actuellement). Danger pour les patients porteurs de prothèses métalliques, implants, valves et stimulateurs cardiaque ... et traumatisant pour les personnes souffrant de claustrophobie.

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