Spectre électromagnétique et rayonnements ionisants

Des ondes radio aux rayons gamma, les rayonnements interagissent avec la matière vivante selon leur énergie. Ce chapitre rappelle le spectre électromagnétique, fixe la frontière entre rayonnements ionisants et non ionisants, décrit les particules et photons ionisants, leurs effets sur les molécules biologiques, les unités de dosimétrie et leurs applications en imagerie et en radiothérapie — un thème présent dans toutes les épreuves de S3.

1. Le spectre électromagnétique

Une onde électromagnétique est caractérisée par sa longueur d'onde λ, sa fréquence ν = c/λ et l'énergie de ses photons E = hν = hc/λ, avec h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s. En pratique, E (eV) ≈ 1 240 / λ (nm) : un photon visible de 500 nm porte environ 2,5 eV. Par énergie croissante, le spectre comprend les ondes radio, les micro-ondes, l'infrarouge (780 nm à 1 mm), le visible (400 à 780 nm), l'ultraviolet (10 à 400 nm, subdivisé en UVA 315–400, UVB 280–315 et UVC 100–280 nm), les rayons X (produits par les électrons du cortège, d'une centaine d'eV à quelques MeV) et les rayons γ (émis par le noyau lors des désintégrations radioactives). Les rayons cosmiques, encore plus énergétiques, sont arrêtés par l'atmosphère.

2. Rayonnements ionisants et non ionisants

Un rayonnement est ionisant s'il transporte assez d'énergie pour arracher un électron à un atome. La référence est l'énergie d'ionisation de l'hydrogène, 13,6 eV ; celles des autres atomes biologiques sont voisines (C 11,3 eV, O 13,6 eV, N 14,5 eV). En dessous de ce seuil (radio, micro-ondes, IR, visible, UV proche), le rayonnement est non ionisant : il ne fait que chauffer ou exciter les molécules. Les UV chevauchent la frontière : les UVB, sans ioniser, forment des dimères de thymine dans l'ADN (mutations, cancers cutanés) mais assurent aussi la synthèse de la vitamine D. Selon leur nature, les rayonnements ionisants sont électromagnétiques (X, γ) ou particulaires (α, β, neutrons, protons, ions lourds) ; selon leur mécanisme, directement ionisants (particules chargées) ou indirectement ionisants (photons et neutrons, qui mettent en mouvement des particules chargées secondaires).

3. Particules α, β, photons et pouvoir de pénétration

La particule α est un noyau d'hélium (2 protons + 2 neutrons, charge +2) émis par les noyaux lourds comme l'uranium ; très ionisante mais très peu pénétrante, elle est arrêtée par une feuille de papier ou la couche cornée de la peau — dangereuse surtout en cas d'inhalation ou d'ingestion. La particule β est un électron (β⁻) ou un positon (β⁺) éjecté du noyau ; elle parcourt quelques millimètres dans les tissus et est arrêtée par quelques millimètres d'aluminium. Les photons X et γ sont très pénétrants ; ils ne sont qu'atténués, de façon exponentielle, par une épaisseur x de matière : I = I₀ e^−µx, où µ est le coefficient d'atténuation linéique, et l'on définit la couche de demi-atténuation CDA = ln 2 / µ ; le plomb est le blindage de référence. Les neutrons, sans charge, sont freinés par les matériaux riches en hydrogène (eau, paraffine). Un photon cède son énergie à la matière par effet photoélectrique (basse énergie, dominant en radiodiagnostic), effet Compton (énergies moyennes) ou création de paires électron-positon (au-delà de 1,022 MeV).

4. Effets biologiques et dosimétrie

Les rayonnements ionisants agissent par effet direct (ionisation de l'ADN, cassures simple ou double brin) et surtout par effet indirect : la radiolyse de l'eau produit des radicaux libres (OH^•, H^•, électron hydraté) qui attaquent les macromolécules. Les tissus à renouvellement rapide (moelle osseuse, épithélium intestinal, gonades, embryon) sont les plus radiosensibles (loi de Bergonié et Tribondeau). On distingue les effets déterministes, qui apparaissent au-dessus d'un seuil de dose et dont la gravité croît avec la dose (érythème, aplasie, syndrome d'irradiation aiguë), des effets stochastiques, sans seuil, dont seule la probabilité augmente (cancers, effets héréditaires). La dose absorbée se mesure en gray (1 Gy = 1 J/kg) ; la dose équivalente en sievert (Sv) la pondère par un facteur lié au rayonnement (1 pour X, γ et β, 20 pour α) ; la dose efficace (Sv) tient en plus compte de la radiosensibilité des organes. L'activité d'une source se mesure en becquerel (1 désintégration par seconde) et décroît selon N = N₀ e^−λt, avec une période T = ln 2 / λ.

5. Applications médicales : imagerie et radiothérapie

En imagerie de transmission, la radiographie exploite l'absorption différentielle des rayons X (l'os, dense et riche en calcium, apparaît blanc) et la tomodensitométrie (scanner) reconstruit des coupes 3D grâce à la rotation simultanée du tube et des détecteurs. En imagerie d'émission, on injecte un traceur radioactif : la scintigraphie et la tomographie par émission monophotonique (TEMP) détectent des photons γ avec une gamma-caméra (technétium 99m pour l'os, iode 123 pour la thyroïde), tandis que la TEP détecte les deux photons de 511 keV issus de l'annihilation des positons du fluor 18. La radiothérapie utilise rayons X et γ pour détruire les cellules tumorales en les empêchant de se diviser, à visée curative, palliative (soulager sans guérir) ou hormonale ; elle est transcutanée (tumeurs profondes), en radiochirurgie (gamma knife pour les lésions cérébrales) ou métabolique, comme l'iode 131 qui se concentre dans la thyroïde pour traiter ses cancers et l'hyperthyroïdie.