Aurélie 04/04/13
 

 

Phénomènes radioactifs, techniques de diagnostic médical : Concours manipulateur radio Nantes 2012.

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Issus de la désintégration de l'uranium et du radium présents dans la croûte terrestre, le radon est la principale source externe d'exposition de l'homme à la radioactivité naturelle. De numéro atomique Z = 86, le radon est un gaz inerte, incolore et inodore. Le radon 222 est radioactif alpha ; il se désintègre lui même en éléments radioactifs dont certains sont solides, polonium 218,  lui même radioactif a et tout de suite après le plomb 214. Ce dernier est intéresant : il est solide, il est radioactif ß-; il donne du bismuth, lui même émetteur radioactif ß-. On peut donc émettre l'hypothèse de la présence dans l'atmosphère de poussières et aérosols renfermant ces deux radioéléments. La demi-vie radioactive de l'ensemble de ces phénomènes est de 40 minutes environ. Après inhalation avec l'air respiré, ces solides se déposent dans les poumons. Les maisons bretonnes, faites de pierre en granit, ont un taux élévé de radioactivité dû à la composition de ces roches.
Une expérience simple à réaliser dans les sous-sols.
A l'aide d'un appariel de comptage radioactif, il est possible de détecter la radioactivité de type ß- et le rayonnement g.
- Placer pendant une heure un aspirateur, muni d'un dique de coton ( A) sur l'embouchure du tuyau, qui aspire au niveau du sol dans un endroit confiné tel un sous-sol.
- Pendant ce temps mettre un disue de coton (B) directement devant la fenètre d'entrée du détecteur au laboratoire et effectuer une vingtaine de comptages du nombre de désintégrations issu de la radioactivité naturelle qui règne dans le laboratoire. Chaque comptage dure 50 s. On donne ci-dessous les résultats de ces comptages.
- Remonter avec précaution le disque (A) et le mettre à la place du disque (B).
- Lancer vos comptages de 50 s toutes les minutes. Noter leurs valeurs.
- L'acquisition des mesures devra s'effectuer durant au moins 3 fois la demi-vie radioactive du phénomène étudié.
Résultats expérimentaux.
Dans le laboratoire, disque (B) : 22 ; 20 ; 17 ; 29 ; 16 ; 17 ; 27 ; 13 ; 24 ; 26 ; 23 ; 19 ; 22 ; 27 ; 21 ; 18 ; 24 ; 32 ; 24.
temps (min)
prises
de mesures
Nombre de désintégrations
issues du coton (A)
durée du comptage
0
groupe1
132 ; 138 ; 145 ; 137 ; 137
50 s
4
groupe 2
139 ; 143 ; 152 ; 147 ; 124
50 s
9
groupe 3
131 ; 117 ; 135 ; 131 ; 137
50 s
14
groupe4
148 ; 108 ; 117 ; 106 ; 107
50 s
.......
......
........
...
159
groupe5
20 ; 43 ; 38 ; 39 ; 28
50 s
164
groupe 6
25 ; 33 ; 33 ; 37 ; 24
50 s
169
groupe 7
36 ; 28 ; 30 ; 30 ; 44
50 s
174
groupe 8
36 ; 32 ; 38 ; 37 ; 31
50 s
179
groupe 9
21 ; 25 ; 17 ; 19 ; 23
30 s
184
groupe 10
On souffle sur le disque échantillon
21 ; 17 ; 25 ; 23 ; 19
50 s

82Pb ; 83Bi ; 84Po ; 85At ; 86Rn ; 87Fr ; 88Ra..

.


Ecrire les équations de désintégrations du radon 222 et celle du plomb 214 évoquées dans le texte.
22286Rn ---> 42He + 21884Po.
21482Pb ---> 21483Bi + 0-1e.
Justifier si la durée d'expérimentation est suffisante ou pas.
La demi-vie radioactive de l'ensemble de ces phénomènes est de 40 minutes environ.
L'acquisition des mesures devra s'effectuer durant au moins 3 fois la demi-vie radioactive du phénomène étudié.
La durée d'expérimentation est suffisante : 184 min est bien supérieure à 3 * 40 = 120 min.
Commentez et expliquer clairement l'évolution du nombre de désintégrations mesurées entre les groupes 1 et 2, puis entre les groupes 1 et 6.
Nombre moyen de désintégrations : radioactivité naturelle : 22 ;
groupe 1
: 138 dont due au phènomène étudié : 117 ;
 groupe 2 : 141 dont due au phènomène étudié : 120 ;
 groupe 6 : 30 dont due au phènomène étudié : 9.
Entre les mesures du groupe 1 et du groupe 2, il s'écoule 4 min, durée bien inférieure à la demi-vie du phénomène étudié. Le nombre moyen de désintégrations est à peu près identique ( écart relatif inférieur à 3 % ).
Entre les mesures du groupe 1 et du groupe 6, il s'écoule 164 min, c'est à dire 4 fois le demi-vie du phénomène étudié.
La loi de décroissance radioactive conduit à : 117 / 24 ~7 désintégrations dues au phénomène étudié ; à cela il faut ajouter la radioactivité naturelle, soit un total de 22+7 = 29, en accord avec les mesures expérimentales.
Quel moyen de protection adapté pouvez-vous préconiser pour lutter contre ce phénomène radioactif naturel ?
Il faut bien aérer les sous-sols.
Justifier l'utilité de l'opération des 20 comptages qui s'effectue avec le disque de coton (B).
Une désintégration radioactive est :
Aléatoire
: Il est impossible de prévoir l'instant où va se produire la désintégration d'un noyau radioactif
Spontanée
: La désintégration se produit sans aucune intervention extérieure
Inéluctable : Un noyau radioactif se désintégrera tôt ou tard.
On ne peut donc prévoir à quel instant va se produire une désintégration : on effectue donc un grand nombre de mesures afin d'en fair une moyenne.
Pour quelles raisons n'y a-t-il pas  de baisse importante des valeurs mesurées lors des comptages d'un même groupe ?
La durée d'un comptage  ( 50 s ) est très inférieure à la demi-vie radioactive du phénomène étudié ( 40 min ).
Une désintégration radioactive est aléatoire.
Pour les deux derniers groupes ( 9 et 10 ).
- Justifier chacune des baisses importantes observées par rapport au groupe 8.
La durée de comptage du groupe 9 n'est que de 30 s au lieu de 50 s pour le groupe 8.
Pour le groupe 10, souffler sur l'échantillon revient à disperser dans la pièce une partie des éléments radioactifs fixés sur le disque.  Les résultats du groupe 10 sont inexploitables, les conditions expérimentales de comptage ont été modifiées.
- en émettant une hypothèse, tentez d'obtenir tout de même des résultats exploitables pour le groupe 9.
Si le nombre de désintégrations est proportionnel à la durée du comptage, alors multiplier les résultats du comptage du groupe 9 par 5/3 ;
on trouverait alors : 35 ; 41 ; 28 ; 32 ; 38.



 
Quelques techniques de diagnostic médical.
Echographie en milieu liquide.
Cette technique permet l'étude de multiples organes. Elle permet de rechercher des anomalies qui pourraient les atteindre ( tumeurs, infections, malformations ) et peut parfois guider un prélèvement en profondeur. Pour pratiquer cet examen on applique une sonde contre la peau en ragard de l'organe à explorer. Cette sonde émet des ultrasons qui traversent les tissus puis lui sont renvoyés sous la forme d'un écho. Les fréquences utilisées dépendent des organes ou des tissus biologiques à sonder ( 2 MHz à 15 MHz ). Ce signal, une fois recueilli va être analysé par un système informatique qui retransmet en direct une image sur un écran vidéo.
 La radiographie dans l'air.
Cette technique permet surtout d'étudier le squelette et des articulations, des poumons, de l'abdomen, des seins. L'appareil utilisé est muni d'un tube à rayons X ( énergie de l'ordre de 4,2 103 eV ) et d'un système d'acquisition de données qui permet une visualisation.Le pupitre de commande derrière lequel se trouve le personnel est séparé du reste de la pièce par une vitre plombée protectrice.
La fibroscopie dans l'air.
Cette technique permet de visualiser les organes creux ( les bronches, l'intérieur du tube digestif, les voies urinaires...). On utilise un endoscope constitué d'une minuscule caméra au bout d'un tube flexible, équipé d'une source de lumière blanche présentant un large spectre continu ( de 450 nm à 750 nm ), et reliée à un ordinateur qui numérise les images saisies, les affiche sur un moniteur et les enregistre. Ils peuvent être équipés de pinces afin de réaliser des prélèvements pour une analyse en laboratoire.
Décrire de manière claire chacune des trois techniques en précisant les caractéristiques physiques des ondes utilisées, la célérité moyenne des ondes, le domaine de fréquence, le domaine de longueur d'onde, l'énergie associée ( en J, en eV) pour la radiologie et la fibroscopie.
L'échographie utilise des ultrasons, ce sont des ondes mécaniques longitudinales se propageant à environ 1500 m/s dans les liquides. Les fréquence utilisées se situent entre 2 MHz et 15 MHz.
Les longueurs d'onde correspondantes  : l = v / f = 1500 / (2 106) =7,5 10-4 m ; 
l = v / f = 1500 / (15 106) =1,0 10-4 m.
La radiologie dans l'air utilise des ondes électromagnétiques, les rayons X qui se propagent à la célérité c = 3 108 m/s dans l'air. Les fréquences sont comprises entre 3 1017 Hz et 3 1019 Hz.
Longueurs d'onde correspondantes :
l = v / f = 3 108 / (3 1017) =1,0 10-9 m ; l = v / f = 3 108 / (3 1019) =1,0 10-11 m.
Energie correspondante : E = h f = 6,63 10-34 *
3 1017 = 2 10-16 J ou 2 10-16 /(1,6 10-19 )=1,2 103 eV.
E = h f = 6,63 10-34 *3 1019 = 2 10-14 J ou 2 10-14 /(1,6 10-19 )=1,2 105 eV.
La fibroscopie dans l'air utilise des ondes électromagnétiques se propageant à la célérité c = 3 108 m/s dans l'air.
Longueurs d'onde correspondantes :
l =450 10-9 m  à 750 10-9 m.
Les fréquences sont comprises entre : c / l = 3 108  / (450 10-9) =6,7 1014 Hz et  3 108  / (750 10-9) =4 1014 Hz
Energie correspondante : E = h f = 6,63 10-34 *6,7 1014 = 4,4 10-19 J ou 4,4 10-19 /(1,6 10-19 )=2,8 eV.
E = h f = 6,63 10-34 *4 1014 = 2,65 10-19 J ou 2,65 10-19 /(1,6 10-19 )=1,7  eV.







  


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