Les interactions physiques entre la matière et les particules directement ionisantes ou celles mises en mouvement par les rayonnements indirectement ionisants sont de 3 types:

l'ionisation des atomes: l'énergie du rayonnement est supérieure à l'énergie de liaison des électrons. Un électron est alors arraché au cortège électronique.

l'excitation des atomes: si l'énergie n'est pas suffisante pour arracher un électron, elle peut l'être cependant suffisamment pour faire passer un électron du niveau énergétique fondamental à un niveau énergétique supérieur (couche moins liée), l'atome est dit excité.

les transferts thermiques: si l'énergie n'est pas suffisante pour exciter l'atome, elle peut cependant augmenter son énergie cinétique de translation, de rotation et de vibration, ce que l'on appelle les transferts thermiques.

En moyenne pour 1 ionisation, on a 3 excitations et un nombre plus élevé de transferts thermiques.

Exemple : L'énergie moyenne pour provoquer une ionisation dans l'eau est de 33,85 eV. Ainsi dans l'eau, 1 électron de 1 MeV produit environ : (106 eV / 33,85 eV) = 3 104 ionisations et 105 excitations.

Il s'agit plus précisément de réactions radiochimiques résultant des interactions physiques et qui surviennent dans des délais trés brefs de l'ordre de 10-12 secondes.

a. La formation de radicaux libres

Un radical libre porte sur sa couche électronique externe un ou plusieurs électrons célibataires (non apparié à un électron de spin opposé). Cette configuration confère à l'entité radicalaire une trés haute réactivité chimique: les radicaux tendent à capturer un électron pour compléter leur couche électronique.

Les radicaux libres proviennent essentiellement de l'interaction des rayonnements ionisants avec les électrons des molécules d'eau, et ce en raison de la teneur extrèmement élevée en eau des organismes vivants.

L'eau est ionisée si E > 5,16 eV, qui est l'énergie de la liaison H-OH : hν + H2O -> e- + H2O+ 

L'ion H2O+ est instable et se dissocie sur place : H2O+ -> H+ + OH° 

L'électron projeté peut parcourir 10 à 15 nm et réagir avec l'eau : e- + H2O -> H° + OH-

La molécule d'eau est excitée : hν + H2O -> H2O* 

La molécule excitée se désexcite : H2O* -> H+ + OH° + e-

Finalement :

10-10 secondes à 10-9 secondes aprés l'interaction avec le rayonnement ionisant, l'eau est devenue une solution plus ou moins concentrée en radicaux OH° et H° et en molécules d'hydrogène issues de la réaction : H° + H° -> H2

Les réactions qui succèdent à la formation de radicaux libres surviennent dans un délai de 10-7 secondes à 10-3 secondes aprés l'interaction du rayonnement ionisant et constituent l'étape diffusionnelle. Ces réactions dépendent du transfert linéique d'énergie du rayonnement.

Le T.L.E. est élevé, donc le nombre d'ionisation est grand, donc la probabilité de rencontre entre les radicaux libres formés est élevée : 

H° + H° -> H2 

H° + OH° -> H2O 

OH° + OH° -> H2O2 

L'eau oxygénée, H2O2, est extrèmement toxique pour la cellule.

Le T.L.E. est faible et la réaction de recombinaison est la plus probable : H° + OH° -> H2O

Les réactions qui succèdent à la formation de radicaux libres dépendent également de la présence de l'oxygène:

En absence d'oxygène, la réaction s'arrète par dimérisation :

H° + H° -> H2 

H° + OH° -> H2O

En présence d'oxygène, la réaction suivante à lieu : H° + O2 -> OOH° 

Le radical hydroperoxyde, OOH°, est un oxydant avide d'électrons. Il est à l'origine de la formation d'eau oxygénée : 

2 OOH° -> HOOH + O2 

OOH° + H° -> HOOH

L'électron arraché de la molécule d'eau ionisée lors de l'interaction avec le rayonnement ionisant peut réagir avec l'oxygène et former le radical superoxyde, O2°-: 

e- + O2 -> O2°-

Les réactions qui succèdent à la formation de radicaux libres dépendent enfin de la présence de molécules organiques.

Un grand nombre de réactions (voir ci-après) ont lieu et aboutissent à la formation:

d'eau oxygénée

de radicaux péroxydes: RO°, ROO°

de tétroxydes: ROOOOH

Les peroxydes et les tétroxydes sont des oxydants puissants qui altèrent les lipides des membranes des cellules.

Ces réactions sont :

OOH° + RH -> HOOH + R° 

R° + O2 -> ROO° 

ROO° + OOH° -> ROOOOH 

ROOOOH -> RO° + OH° + O2 

2 ROO° -> ROOOOR 

ROOOOR + e- -> 2 RO° + O2- 

ROO° + RH -> ROOH + R° 

ROOH + e- -> RO° + OH-

Dans toutes cellules normales il existe des réactions qui produisent des radicaux libres et des peroxydes similaires à ceux formés en cas de radioexposition.

Les cellules possèdent donc des enzymes dont la fonction est d'inactiver ces composés extrèmement toxiques: 

- la superoxyde dismutase : 2 O2°- + 2 H+ -> H2O2 + O2 

- les peroxydases : H2O2 + H2 -> 2 H2O 

- les catalases : 2 H2O2 -> 2 H2O + O2

Remarque : la réaction catalysée par la superoxyde dismutase est équilibrée en terme de radical (symbole "°") puisque le transfert électronique met en jeu un atome de cuivre lié à l'enzyme qui est successivement oxydé puis réduit.