Biophysique des rayonnements

Un rayonnement ionisant possède suffisamment d’énergie pour arracher des électrons à la matière, créant ainsi des ions. On distingue les rayonnements directement ionisants (particules chargées : alpha, bêta, protons) qui agissent par collisions coulombiennes, et les rayonnements indirectement ionisants (neutrons, photons X et γ) qui transfèrent leur énergie en produisant des particules chargées secondaires. Les photons X proviennent de transitions électroniques, tandis que les photons γ sont émis par le noyau. Les neutrons, non chargés, interagissent par chocs élastiques ou réactions nucléaires. Cette classification est essentielle pour comprendre leurs modes d’interaction avec la matière vivante.

Un noyau instable se désintègre spontanément en émettant un rayonnement. L’activité A(t), nombre de désintégrations par seconde, suit une loi exponentielle décroissante : A(t) = A₀ e⁻ᵏᵗ, où λ est la constante radioactive. La période (ou demi-vie) T₁/₂ est le temps au bout duquel l’activité est divisée par deux : T₁/₂ = ln 2 / λ. L’unité d’activité est le becquerel (Bq), correspondant à une désintégration par seconde. Cette loi permet de prédire l’évolution d’une source radioactive au cours du temps, notion fondamentale en radioprotection et en médecine nucléaire.

Les photons interagissent avec la matière principalement par trois effets. L’effet photoélectrique domine à basse énergie (< 100 keV) : le photon est totalement absorbé et éjecte un électron lié. La diffusion Compton prédomine aux énergies intermédiaires (100 keV – quelques MeV) : le photon cède une partie de son énergie à un électron et est diffusé avec une énergie réduite. La production de paires électron-positon se produit au-delà de 1,022 MeV, le photon disparaissant en créant une paire au voisinage d’un noyau. Ces processus sont à l’origine des dépôts d’énergie dans les tissus biologiques.

La dose absorbée D (en gray, Gy) mesure l’énergie déposée par unité de masse (1 Gy = 1 J/kg). Pour tenir compte de l’efficacité biologique du rayonnement, on définit la dose équivalente H = wR × D (en sievert, Sv), où wR est le facteur de pondération radiologique (1 pour X, γ, β ; 20 pour α). La dose efficace E = Σ wT × HT intègre la radiosensibilité des tissus (wT). On distingue les effets déterministes (obligatoires au-delà d’un seuil) et les effets stochastiques (aléatoires, sans seuil, comme les cancers). La radioprotection vise à maintenir les doses au niveau le plus bas raisonnablement possible.