L’APPLICATION DIAGNOSTIQUE DES RAYONNEMENTS GAMMA EN MEDECINE NUCLEAIRE

 Rappels sur la structure de l’atome

L’atome est formé d’une partie centrale, le noyau, entouré d’une partie périphérique constituée d’électrons (Figure 1). L’ensemble supposé sphérique à un rayon de l’ordre de 10-10 m (Ben Tekaya, 2019; Benali, 2016; Galle et Paulin 1997). Figure 1: Structure de l’atome. Chaque atome est caractérisé par son numéro atomique Z (nombre de protons qui est égal au nombre d’électrons à l’état non ionisé) et son nombre de masse A (nombre de nucléons égal à la somme des nombres de protons et de neutrons du noyau atomique). L’atome est la plus petite particule qui garde encore les propriétés de l’élément (Ben Tekaya 2019). Le nombre d’électrons ou de protons détermine les propriétés physico-chimiques de l’atome (« www.irsn.fr » s. d.). 

Noyau de l’atome

Le noyau est lui-même constitué de particules appelées nucléons qui sont de deux sortes : les protons porteurs d’une charge positive et les neutrons sans charge (Figure 2). 6 Figure 2: Structure du noyau Ces particules sont reliées entre elles par des liaisons très fortes et occupent un volume extrêmement petit (Galle et Paulin, 1997). Le noyau peut être assimilé à une sphère de rayon 10-15 m. On constate que le rayon du noyau est105 fois plus petit que celui de l’atome, ce qui signifie que toute la masse de l’atome est pratiquement concentrée dans le noyau qui n’occupe que la fraction 10-15 du volume total de l’atome (Ben Tekaya, 2019; Galle et Paulin, 1997). La notation d’un noyau est : 𝑍𝑋 𝐴 Avec : X : symbole de l’élément chimique correspondant à ce noyau A : nombre de masses du noyau, c’est le nombre total de nucléons (composants du noyau, indifféremment protons et neutrons) dans le noyau ; Z : nombre de charges du noyau (ou nombre de protons du noyau) ; N = A-Z : nombre de neutrons du noyau (Ben Tekaya, 2019). 7 Les noyaux de la plupart des isotopes naturels des éléments (nucléides) sont stables (vie moyenne comparable à l’âge de l’univers, soit environ 1010 ans). Cette stabilité résulte d’une situation d’équilibre entre les différents neutrons et protons présents. Pour qu’un noyau soit stable il ne doit pas exister un excès de nucléons (les noyaux trop lourds sont instables) et le rapport proton/neutron ne doit pas s’éloigner de certaines limites (Bassez, s. d.; Ben Tekaya, 2019; Buskulic, s. d.; Galle et Paulin, 1997). La figure 3 représente chaque isotope par un point sur un diagramme (Z, N), d’abscisse le nombre de protons Z et d’ordonnée le nombre de neutrons N. Figure 3 : Diagramme de stabilité du noyau (Buskulic, s. d.). Zone 1 : zone d’instabilité  -, Zone 2 : zone d’instabilité  + , Zone 3 : zone d’instabilité  8 Les noyaux stables sont représentés par les carrés noirs. Ils se situent autour d’une ligne moyenne appelée ligne de stabilité. Cette ligne a la forme d’une vallée. Les flancs correspondent à des noyaux instables.

Partie périphérique de l’atome

Le noyau est entouré d’un nuage électronique constitué de particules élémentaires, les électrons, dont la charge e est égale et de signe opposé à celle du proton. La masse de l’électron est environ 1800 fois plus faible que celle du proton (Galle et Paulin, 1997).

La radioactivité 

Historique

La radioactivité fut découverte en 1896 par Henry Becquerel (1852-1908) lors de ses travaux sur les phénomènes de fluorescence des sels d’uranium (Paradis, s. d.; « www.theseups.ups-tlse.fr » s. d.). En effet, en développant des plaques photographiques qu’il avait auparavant revêtues d’une couche de cristaux de sel d’uranium et potassium, il constatait, à sa grande surprise, que l’émulsion était noircie à l’emplacement des cristaux, et ce, même si la préparation était restée dans le noir pendant plusieurs jours. Cette image ne pouvait provenir de la phosphorescence des cristaux induite par le soleil ; elle résultait donc de l’exposition de la plaque photographique aux radiations émises spontanément par les cristaux (Paradis, s. d.) Cette expérience lui permit de mettre en avant que l’uranium émet un rayonnement spontané qu’il nomma « rayons uraniques ». Cependant, ce n’est qu’après les travaux de Marie Curie (1867-1934), Pierre Curie (1859-1906) et Ernst Rutherford (18711937) que la radioactivité fut découverte. Cette découverte fait suite aux travaux de Marie Curie (1898) qui découvrit que la pechblende, roche composée d’oxyde d’uranium, est émettrice de rayonnements 9 en plus grande quantité que l’uranium seul. Elle en déduisit qu’elle contenait d’autres rayonnements plus actifs. Avec son mari Pierre Curie ils découvrirent deux nouveaux éléments : le polonium et le radium, Marie Curie donna le nom de « radioactivité » à ce phénomène physique (« Commissariat à l’énergie atomique, 2002 » s. d.; Paradis, s. d.). Henri Becquerel partageait en 1903 le prix Nobel de physique avec Pierre et Marie Curie en reconnaissance des services extraordinaires rendus par la découverte de la radioactivité spontanée (Pinault 2006). En janvier 1934, Irène et Fréderic Joliot Curie réalisent l’expérience qui va leur permettre de découvrir le premier isotope radioactif artificiel, le phosphore 30 (Pinault 2000).Les noyaux instables se transforment spontanément, directement ou indirectement, en noyaux stables. Lors de ces transformations sont émis des rayonnements α, β ou γ (figure 4). Figure 4 : Désintégration d’un noyau instable La radioactivité est un phénomène lié à la désintégration spontanée et aléatoire des noyaux atomiques, qu’on appelle les radionucléides. C’est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux instables (radionucléides) se désintègrent en libérant une quantité d’énergie sous forme de particules ou de rayonnements électromagnétiques pour se transformer en noyaux atomiques 10 plus stables ayant perdu une partie de leur masse (Ben Tekaya, 2019; Benali, 2016)

Origine de la radioactivité

La radioactivité peut être d’origine naturelle (due aux rayonnements cosmiques et telluriques) ou artificielle obtenue par des réactions nucléaires (Figure 5). Figure 5: origines naturelles et artificielles de la radioactivité Bien entendu un isotope donné, qu’il soit d’origine naturelle ou artificielle, a exactement les mêmes propriétés radioactives. Parmi les radionucléides d’origine naturelle les plus connus, on peut citer le tritium (3H) et le carbone 14 ( 14C) qui sont d’origine cosmique et les familles radioactives du thorium et de l’uranium qui sont présents dans la couche terrestre (rayonnement tellurique) (Benali 2016; Paradis, s. d.; « www.irsn.fr » s. d.).

Radioactivité naturelle

Dans la nature, la plupart des noyaux d’atome sont stables. Cependant, certains atomes ont des noyaux instables qui se transforment spontanément en d’autres 11 noyaux d’atomes radioactifs ou non. C’est le phénomène de radioactivité naturelle. Cette radioactivité naturelle a diverses sources: elle peut provenir du sol (en particulier le sol granitique qui produit le radon), de l’eau, de l’alimentation (en particulier du potassium 40 contenu dans les aliments comme les bananes) et même du corps humain. Elle nous irradie en permanence mais à faible dose. Il existe deux grands groupes de radionucléides naturels : ➢ Des radionucléides d’origine cosmique ou « cosmonucléides » qui se forment par l’action des rayons cosmiques sur des noyaux d’atomes présents dans notre environnement ; ils sont parfois appelés « radionucléides natures induits ». ➢ Des radionucléides dits « primordiaux », qui étaient présents au moment de la formation de la terre et que l’on trouve aujourd’hui encore dans l’écorce terrestre. Les radionucléides primordiaux répertoriés au nombre d’une trentaine ont des périodes supérieures à 700 millions d’années et sont peu instables : il leur suffit d’une seule désintégration pour se transformer en noyaux stables. Mais trois d’entre eux ont un comportement particulier, il s’agit de l’Uranium 238, de l’Uranium 235 et du Thorium 232. Ces trois nucléides primordiaux, beaucoup plus lourds que les autres, nécessitent une longue série de désintégration avant d’aboutir à un noyau stable qui, dans les trois cas, est un isotope du Plomb. Ces trois radionucléides peuvent être retrouvés en traces dans plusieurs minerais comme le phosphate. (« Commissariat à l’énergie atomique, 2002 » s. d.; Paradis, s. d.)