Introduction Objectifs d apprentissage Spécifier les domaines d étude de la physique; Préciser les différentes formes d énergie; Radiation ionisante Introduire la notion d interaction matière-énergie. Pourquoi de la physique??? Grâce aux nouvelles technologies, nombre d instruments, d appareils de diagnostics et de traitements se sont développés. Ces nouveaux outils impliquent de nombreux phénomènes dont les lois et principes appartiennent à la physique, science fondamentale décrivant le comportement de l univers. Il est essentiel de former le personnel des institutions de santé de façon qu il puisse accueillir et informer les patients avec toute la compassion et la compétence requises en toutes circonstances. Ce cours nous fera prendre connaissance des principes physiques à la base des technologies médicales. Étude de la physique La physique étudie la composition et le comportement de la matière et ses interactions au niveau le plus fondamental. Le champ d application de la physique est très vaste puisqu il va des constituants du minuscule noyau atomique à l immensité de l Univers. Domaine de la physique La physique classique (entre 1600 et 1900): La mécanique classique (étude du mouvement) La thermodynamique (température et transfert de chaleur) L électromagnétisme (électricité, magnétisme, onde E.M.) La physique moderne (de 1900 à aujourd hui): La relativité restreinte La mécanique quantique (théorie atomique) La relativité générale Espace, matière, énergie Dans sa représentation la plus simple, on imagine l univers comme étant un vaste espace vide contenant tout ce qui est concevable en tant que matière dans un état de mouvement perpétuel qu on appelle de l énergie. L espace est donc un volume indéfini, sans bords, vide, à l intérieur duquel on peut y placer tous les corps de l univers. Tous les corps en général sont constitués de ce qu il est convenu d appeler «la matière». La structure la plus fondamentale de la matière est l atome et les molécules. La matière est donc une entité concrète et observable. Tous les corps sont constitués de matière et une propriété physique en découle: la masse. À l espace et à la matière s ajoute l énergie. C est l action sous toutes ses formes modifiant l allure de notre univers dans le temps. 1
Les différentes formes d énergie Importance du concept d énergie Lors de sa course, cet athlète transforme l énergie chimique emmagasinée dans son organisme en énergie cinétique. Cette énergie cinétique est par la suite transformée en énergie potentielle élastique (illustrée par la déformation de la perche). Par la suite, l énergie potentielle élastique se transforme en énergie potentielle gravitationnelle. Éventuellement celle-ci se transformera en énergie cinétique lorsqu il touchera le sol. Le concept d énergie est essentiel en technique médicale: chaleur radiation chimie électricité motricité nucléaire L énergie cinétique Forme d énergie associée au mouvement K = 1 mv 2 2 L énergie potentielle Énergie due à l état d un système: Énergie potentielle gravitationnelle (gravitation) Énergie chimique (batterie) Énergie nucléaire (fusion thermonucléaire) Énergie électromagnétique (rayon X) Énergie et matière Albert Einstein n a plus besoin de présentation. Récipiendaire du prix Nobel pour sa théorie sur l effet photoélectrique, on le connaît davantage pour son développement de la théorie de la relativité. Sans entrer dans les détails pour le moment, mentionnons qu il est l auteur de la célèbre équation E = mc 2 où E représente l énergie totale d une particule de masse m en mouvement et c correspond à la vitesse de la lumière. Ondes électromagnétiques Onde électromagnétique: perturbation des champs électrique et magnétique. Cette oscillation des champs électrique et magnétique se propage à la vitesse de la lumière (lumière visible, infrarouge, rayon X ) Tous ces types d ondes électromagnétiques possèdent une même nature mais, ce qui les distingue, c est leur fréquence d oscillation ainsi que la quantité d énergie que chaque type d onde peut transporter dans l espace 2
Le spectre électromagnétique Radioation ionisante L énergie émise par tout corps qui en a le pouvoir est appelée radiation. Tout dispositif émettant de la radiation dans l espace est une source de radiations. Exemples: une ampoule électrique, un morceau de charbon chauffé au rouge (lumière et chaleur); le soleil (chaleur, lumière, rayons cosmiques); les substances radioactives (chaleur, particules alpha, bêta, gamma); l appareil à rayons X et l accélérateur linéaire (rayons X, électrons, chaleur). Les radiations consistent donc en particules (photons (γ), électrons (β - ), protons, neutrons, particules α) émises transportant avec elles une certaine quantité d énergie. Notion de radiation (suite) Exemples de sources de radiations: ampoule électrique un morceau de charbon chauffé au rouge le soleil les substances radioactives l appareil à rayons X. Interaction matière-énergie Lorsque des radiations atteignent de la matière, ces particules émises avec énergie frappent des atomes de matière, ces derniers peuvent alors absorber l énergie transportée par ces radiations, ce qui a pour effet de les exciter ou de les ioniser (radiation ionisante). Les techniciens et techniciennes manipulant ces sources doivent se protéger contre les radiations ionisantes Un contrôle des doses de radiations absorbées par le personnel est exercé avec rigueur. La physique enseigne comment mesurer ces doses. Découverte des rayons X C est par hasard que Wilhelm Rœntgen découvrit les rayons X en observant de la lumière fluorescente dans un tube à vide contenant des électrodes soumises à une différence élevée de potentiel électrique. Nature des rayons X Radiations: ondes ou particules? Les physiciens modernes tendent à considérer davantage le rayonnement comme étant la manifestation de particules en mouvement. Cela n empêche aucunement qu elle puissent se comporter également comme des ondes! En radiologie, les faisceaux de particules revêtent une importance particulière: le faisceau de rayon X correspond à des particules appelées «photons» se déplaçant à la vitesse de la lumière; ils transportent de l énergie et interagissent avec les atomes et les molécules des cibles avec lesquelles ils entrent en contact. 3
Le système international Dans le système international (SI) les unités fondamentales sont: Le kilogramme (kg) pour la masse; Le mètre (m) pour la longueur; La seconde (s) pour le temps. Les autres unités Dans le système d unités britanniques, qui est encore utilisé aux États-Unis, l unité de masse est la livre-masse (lb), l unité de longueur est le pied (pi) et l unité de temps est la seconde. Néanmoins, les données scientifiques sont maintenant presque toutes exprimées en unités SI. Les unités dérivées Les unités de grandeurs physiques autres que les unités fondamentales sont appelées unités dérivées quantités unités définition Aire m x m m 2 mesure de la surface volume m x m x m m 3 capacité vitesse m/s m/s distance parcourue par unitéde temps accélération m/s/s m/s 2 taux de variation de la vitesse Autres unités dérivées quantités avec des unités complexes quantité unités définition fréquence Hertz Hz # d oscillation par seconde force Newton N «tension ou traction» énergie Joule J capacité d effectuer un travail Dose absorbée Gray Gy énergie déposée de 1 J/kg La conversion des unités Préfixes courants représentant des puissances de 10 Il est souvent nécessaire de convertir l unité d une grandeur physique. Supposons que nous voulions convertir des milles par heure (mi/h) en mètres par seconde (m/s), sachant que 1 mi = 1,6 km. Le rapport (1,6 km)/ (1 mi), dont la valeur est égale à 1, est appelé facteur de conversion. Utilisés correctement, les facteurs de conversion nous permettent de passer d une unité à une autre. Par exemple: 5,0 mi h = 103 m ( mi ) 1,6 km 5,0 ( 1h ) = 2,2 m/s h 1mi km 3600s 10-9 = 0,000000001 10-6 = 0,000001 10-3 = 0,001 10 0 = 1 10 3 = 1 000 10 6 = 1 000 000 10 9 = 1 000 000 000 Un milliardième (nano) Un millionième (micro) Un millième (milli) Un Mille (kilo) Un million (méga) Un milliard (giga) 4
Exercices suggérées 0101, 0102, 0103, 0106, 0107, 0108, 0109 et 0111 5