Les rayons X - TPE - Première S

Les rayons X - TPE - Première S

Nous mettons à votre disposition ce TPE de 1ère S, réalisé par des membres digiSchool Bac S, qui concerne les rayons X, qui s'inscrit dans le thème "Matière et forme".

Néfis, Charline, Damien et Cora s'intéressent tout d'abord à la découverte des rayons X et leurs principes physiques. Vous verrez ensuite les effets des rayons X sur l'Homme, ainsi que les usages des rayons X par l'Homme, notamment dans la médecine et dans l'astronomie.

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Les rayons X - TPE - Première S

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Introduction

Depuis leur découverte en 1895, les rayons X ont constitué une avancée majeure dans le domaine de la science malgré leurs effets nocifs. "Cette voie m'apparut comme le chemin de la Terre promise. Je m'y engageai", tels furent les mots du Docteur Antoine Béclère lorsqu'il pris conscience sur, grâce aux rayons X, les Hommes allaient pouvoir voir ce qui a toujours appartenu au domaine de l'invisible. En quoi la découverte des rayons X a-t-elle alors eu un impact sur la vie de l'Homme ? Nous répondrons dans ce magazine à cette problématique. Tout d'abord, nous allons parler de la découverte des rayons X en commençant par décrire ce qu'est un rayon X. Ensuite, nous expliquerons que, contrairement aux attentes du Docteur Béclère, les rayons X ont des effets néfastes sur l'Homme. Enfin, nous montrerons que l'Homme peut tout de même faire usage des rayons X dans de nombreux domaines.


I. La découverte des rayons X et de leurs principes physiques

A. L'histoire de la découverte des rayons X

À la fin du XIXème siècle, Wilhelm Conrad Röntgen, physicien allemand, étudie les rayons cathodiques, c'est-à-dire des faisceaux d'électrons observés dans un tube vide. Il étudie ces rayons à l'aide des tubes de Crookes, des tubes sous vide partiel avec une électrode de métal à chaque extrémité. Röntgen s'intéresse plus particulièrement à la pénétration des rayons dans le verre. Il découvre alors en 1895 des rayons capables de traverser la matière sans être déviés, ces rayons sont si étrangers qu'il leur donne le nom de rayons X.

Par la suite, il parvient à attribuer différentes caractéristiques aux rayons X. Il découvre notamment que les rayons X sont faiblement absorbé par la matière mais plus la masse atomique des atomes augmente, plus les rayons sont absorbés. Il découvre également que les rayons X peuvent impressionner une plaque photographique.

Röntgen se sert de ce principe pour réaliser le premier cliché radiographique, le 22 Décembre 1895, en intercalant la main de son épouse entre le tube de Crookes et une plaque photographique.

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B. Qu'est-ce qu'un rayon X ?

Les rayons X : des rayonnements électromagnétiques

Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques de haute fréquence. LEur fréquence varie entre 3x1016 Hertz et 3x1019 Hertz.La longueur d'onde de leur photo est comprise entre 10-12m et 10-8m et leur énergie est comprise entre 50 et 110eV. La longueur d'onde très courte et l'énergie importante des rayons X leurs donnent la propriété de traverser les matériaux.

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Comment se créé un rayon X ?

Le rayonnement vient de la projection à grande vitesse l'électrons sur un matériau. Les électrons vont passer à travers les atomes du matériau et vont être déviés, avec perte de vitesse, où ils vont perturber la répartition électronique de l'atome, qui devra se recombiner pour revenir à son état fondamental, plus stable. Un photon ou une onde électromagnétique seront produits.

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Le spectre des rayons X

Le spectre des rayons X est composé d'une superposition d'un spectre continu et d'un spectre de raie.

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L'intéraction des rayons X avec la matière

Lorsqu'un faisceau de rayon X entre en interaction avec la matière, le nombre de photons X diminue progressivement. Une partie de l'énergie est alors absorbée par la matière, l'autre partie est diffusée et sort de la matière dans une direction différente du faisceau initial.

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II. Les effets des rayons X sur l'Homme

Les rayons X sont fortement énergétiques et peuvent ioniser les matières qu'ils traversent. Ils arrachent ou ajoutent des électrons aux atomes, donc changent leur comportement chimique et électrique. Il y a donc un risque d'exposition externe, soit global, soit localisé, en rapport avec le pouvoir de pénétration dans le corps des rayons X émis par la source, car ces rayonnements passent très aisément la barrière cutanée : ils entraînent une irradiation en profondeur du corps humain et, à partir d'une certaine dose, modifient les fonctions et les structures cellulaires puis tissulaires (par radiolyse de l'eau de la matière biologique), dérèglent la division cellulaire, avec parfois une détérioration de l'ADN qui contient le programme génétique et les cellules endommagées peuvent être celles de l'ovaire ou des spermatozoïdes.

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A. Notre expérience

Comment nous l'avons vu précédemment, les rayons X qui sont des rayonnements ionisants peuvent créer des lésions au niveau de la molécule d'ADN en venant briser cette molécule.

Nous avons réalisé deux expériences. Nous avons mis en culture des organismes biologiques pour les exposer aux UV. N'ayant pas de source d'émission de rayons X disponible, nous avons substituer ces derniers par les rayons UV qui, comme les rayons X, sont des rayonnements électromagnétiques capables de causer des lésions au niveau de la molécule d'ADN. Le but de nos expériences est de montrer que ces rayonnements sont des agents mutagènes pour les organismes biologiques et qu'ils présentent par conséquent un danger pour les différents organismes biologiques.

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B. Les rayonnements ionisants

Les rayonnements ionisants sont des types d'énergie libérés par les atomes sous forme d'ondes ou de particules. Ils sont des rayonnements d'énergie suffisants pour tranformer les atomes qu'ils traversent en ions et rendre la matière instable.

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Exposition de l'Homme aux rayonnements ionisants


C. La radioactivité

La stabilité des atomes est assurée par la force d'attraction s'exerçant entre les protons et les neutrons (les deux types de particules constituant le noyau), or cette stabilité est précaire. Pour atteindre ou garder un état stable, les atomes de ces éléments, appelés "éléments instables", dégagent de l'énergie sous forme de rayonnements alpha, bêta, et gamma.

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D. La radioprotection

L'utilisation des rayons X nécessite que les bénéfices dus à leur emploi soient plus importants que les risques. Les rayons X étant des rayonnements ionisants, leur utilisation est dangereuse. Les personnes exposées aux rayons X doivent donc bénéficier d'une protection. L'imagerie médicale constitue la plus grande source d'exposition de l'Homme aux raysons X. Le personnel soit être efficacement protégé.

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III. L'usage des rayons X par l'Homme

A. Le tube à rayon X

Les tubes à rayons X sont des dispositifs permettant de produire des rayons X. Dans un premier temps, nous allons nous intéresser à son principe de fonctionnement...

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B. La médecine.

L'un des usages les plus courants des rayons X est sans doute dans le domaine médical. C'est d'ailleurs un docteur qui a découvert les rayons X.

Dans le milieu médical, les effets secondaires liés aux rayons X sont extrêmement rares, et sont presque inexistants dans le cas où l'on fait de la radiographie diagnostic car l'énergie délivrée au patient est infime.

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La radiographie

La radiographie est une technique d'imagerie médicale permettant de visualiser différentes parties du corps humain (les os et certains organes) grâce aux rayons X. Elle permet d'obtenir un cliché de ces différentes parties du corps. L'image obtenue est également appelée radiographie ou radio.

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Le scanner

Le scanner (également appelé scanner x, tomodensitométrie ou TDM) est un autre examen qui utilise les rayons X. Il permet d'obtenir des images en coupe fine d'une partie du corps.

L'appareil d'imagerie médicale, aussi appelé scanner, est composé d'un anneau dans lequel se trouve un tube à rayons X et d'une couchette sur laquelle le patient s'allonge.

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L'angiographie

Angiographie : (= imagerie des vaisseaux) technique d'imagerie médicale portant sur les vaisseaux sanguins qui ne sont pas visibles sur les radiographies strandards. Examen invasif (se dit d'une tumeur, d'une infection susceptible de se propager dans l'organisme) qui impose l'injection d'un produit de contraste lors d'une imagerie par rayon X.

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C. L'astronomie

L'astronomie X consiste à étudier l'émission des objets célestes grâce aux rayons X. Comme nous le savons, les rayons X sont partout autour de nous mais à petite dose car les rayonnements X sont absorbés par l'atmosphère de la Terre, il faut donc envoyer des instruments d'étude comme les satellites à haute altitude à l'aide de fusées. L'astronomie X fait donc aujourd'hui partie de la recherche spatiale, les détecteurs étant placés à bord des satellites.

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Conclusion

La découverte des rayons X et de leurs différentes caractérstiques a donc eu un impact sur la vie de l'Homme. Du fait de leur dangerosité, ils ont eu des effets très néfastes sur les premiers Hommes à les avoir manipulés, c'est pour cela que leur utilisation nécessite une protection. Cependant, les rayons X constituent une avancée majeure dans le domaine de la science et particulièrement dans le domaine de la médecine. L'Homme se sert des rayons X dans des examens médicaux comme la radiographie, le scanner ou encore l'IRM. L'Homme fait cependant usage des rayons X dans de nombreux autres domaines, comme celui de l'astronomie et bien d'autres encore.

Fin de l'extrait

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