Rayonnements et interactions avec la matière
Interactions des photons avec la matière

Citation

« Les mots peuvent ressembler aux rayons X ; si l'on s'en sert convenablement, ils transpercent n'importe quoi. »

Aldous Huxley

Documentation web

Sommaire
  1. Mécanique quantique
  2. Modèle standard des particules
    1. Vue d'ensemble
      1. Statistique de Fermi-Dirac
      2. Principe d'exclusion de Pauli
      3. Statistique de Bose-Einstein
      4. Antiparticules
        1. Annihilation particules/antiparticules
        2. Asymétrie baryonique de l'univers
          1. Vue d'ensemble
          2. Baryogenèse
    2. Atome
      1. Noyau
        1. Nucléons
          1. Neutron
          2. Proton
          3. Nombre de nucléons et tableau périodique
          4. Forces intervenant dans le noyau
        2. Structure nucléaire
          1. Modèle de la goutte liquide
            1. Vue d'ensemble
            2. Nombres magiques et vallée de la stabilité
          2. Modèle en couches
          3. Modèle du champ moyen
      2. Électrons
        1. Propriétés des électrons
        2. Orbitales et spin-orbitales
        3. Ionisation et ions
    3. Fermions
      1. Vue d'ensemble
      2. Quarks
        1. Vue d'ensemble
        2. Propriétés des quarks
        3. Saveurs des quarks
      3. Hadrons
        1. Baryons
          1. Vue d'ensemble
          2. Nombre baryonique
          3. Classification des baryons
            1. Baryons stables : nucléons
            2. Baryons instables
              1. Baryons Delta
              2. Baryons Lambda
              3. Baryons Sigma
              4. Baryons Xi
              5. Baryons Oméga
        2. Mésons
          1. Vue d'ensemble des mésons
          2. Propriétés des mésons
          3. Classification et liste des mésons
            1. Kaons
            2. Pions
      4. Leptons
        1. Vue d'ensemble
        2. Nombres leptoniques
        3. Propriétés des leptons
    4. Bosons
      1. Vue d'ensemble
      2. Gluons : bosons de jauge de l'interaction forte
        1. Propriétés des gluons
        2. Échanges de gluons
        3. Autres formes de gluons
      3. Photons : bosons de jauge de l'interaction électromagnétique
        1. Propriétés des photons
        2. Émission et absorpton de photons
        3. Particules et vitesse de la lumière
      4. Bosons W± et Z0 : bosons de jauge de l'interaction faible
      5. Boson de Higgs
        1. Mécanisme de Higgs
        2. Propriétés du boson de Higgs
    5. Réactions nucléaires
      1. Fusion
      2. Fission
      3. Radioactivité
      4. Photodesintegration
      5. Spallation
      6. Multifragmentation
    6. Rayonnements et interactions avec la matière
      1. Diffusion (ou choc)
      2. Rayonnements ionisants
      3. Interactions des rayonnements avec la matière
        1. interactions de photons avec la matière
        2. interactions des particules massives
  3. Interactions ou forces fondamentales
    1. Vue d'ensemble
      1. Interaction nucléaire forte
      2. Interaction électromagnétique
      3. Interaction faible
      4. Gravitation
    2. Comment expliquer que les soient portées par des particules ?
      1. Que se passe-il en mécanique quantique ?
      2. Paramètres libres
        1. Constantes de couplages
        2. Autres paramètres libres
    3. Chromodynamique quantique (QCD)
      1. Charges de couleur
        1. Couleurs des quarks
        2. Couleurs des gluons
        3. Changements de couleurs
      2. Isospin (fort ou spin isobarique)
    4. Électrodynamique quantique (QED)
      1. Vue d'ensemble
      2. Diagramme de Feynmann
    5. Interaction faible
      1. Propriétés de l'interaction faible
      2. Isospin faible
    6. Interaction électrofaible
    7. Gravitation
  4. Modèle de l'univers : Big Bang

Bibliographie

Les photons ne sont détectés que grâce à leurs interactions avec la matière.

  • Ils cèdent leur énergie en totalité ou en partie au milieu qu’ils traversent.
  • La matière traversée subit des modifications dues au passage des radiations.
Spectre électromagnétique
Nom Longueur d'onde (m) Énergie
Basses fréquences 108 à 103 -
Moyennes fréquences 103 à 102 -
Hautes fréquences 102 à 10-1 -
Micro-ondes 10-1 à 10-3 12,4 Mev à 1,24 μeV
Infrarouge 10-3 à 0,750 x 10-6 12,4 MeV à 1,65 eV
Visible 0,750 à 0,390 x 10-6 1,65 eV à 3,2 eV
Ultraviolet 0,390 x 10-6 à 10-8 3,2 eV à 124 eV
Rayon X 10-8 à 10-12 124 eV à 124 keV
Rayon gamma < 10-12 > 124 kev

1. Lorsqu'un photon de basse énergie est absorbé (E < 10 eV), il excite un électron qui passe à un niveau énergétique supérieur (cf. émission et absorption de photons et orbitales et spin-orbitales)

2. Lorsqu'un photon de haute énergie est absorbé (E > 10 eV), il est capable d'arracher cet électron à l'atome pour provoquer l'ionisation.

Photons ionisants

Les photons ionisants sont surtout représentés par les rayons X et les rayons gamma qui sont des rayonnements indirectement ionisants, i.e. ne portant pas de charge électrique.

Les ultraviolets, de longueurs d'onde comprise entre 10 nm à 125 nm, ionisent aussi les molécules d'air et est absorbé par l'air et l'ozone (O3) en particulier, mais leur importance est faible par rapport aux précédents.

Rayons X

Les rayons X sont constitués de photons à longueur d'onde comprise entre 10-8 à 10-12 m, correspondant à des fréquences de 30 pétahertz (petahertz : 1016 Hz) à 300 exahertz (exhertz : 1020 Hz).

  • Applications des rayons X
    Applications des rayons X
    (Figure : vetopsy.fr d'après Ulflund)
    Leur énergie est comprise entre une centaine d'ev (électron-volt), à environ un MeV (106 eV).
  • Ce rayonnement est utilisé dans de nombreuses applications dont l'imagerie médicale.

Ces rayons X peuvent être produits :

1. par des transitions électroniques faisant intervenir les couches internes, proches du noyau (cf. effet photoélectrique).

L'excitation qui provoque cette transition peut être provoquée :

2. par changement d'énergie cinétique des électrons de deux types :

  • le freinage des électrons sur une cible dans un tube à rayons X qui provoque un rayonnement continu de freinage (Bremsstrahlung), i.e. rayonnement électromagnétique à spectre large créé par le ralentissement de charges électriques (rayonnement blanc).
  • Rayonnement synchrotron
    Rayonnement synchrotron (en bleu) du
    pulsar central de la nébuleuse du crabe
    (Photo : hubblesite.org)
    la courbure de la trajectoire dans des accélérateurs de particules : c'est le rayonnement synchrotron.

Le rayonnement synchrotron est un rayonnement électromagnétique émis par une particule chargée qui se déplace dans un champ magnétique qui dévie sa trajectoire

Ce rayonnement est émis par des électrons qui tournent :

3. par une source radioactive lors de la désintégration de certains isotopes.

Rayons gamma

Les rayons gamma sont constitués de photons très énergétiques produits par la désexcitation d'un noyau atomique par transition nucléaire résultant d'une désintégration (radioactivité gamma).

  • Leur fréquence est de l'ordre de 1017 à 1019 Hz.
  • Leur énergie est comprise entre une centaine d'ev (électron-volt), à plusieurs GeV (109 eV).
  • Rayonnement gamma
    Rayonnement gamma
    (Figure : © vetopsy.fr)
    Leur pénétration est plus forte que les rayonnements alpha et les beta, mais ils sont moins ionisants.

Les rayons X sont produits par transition électronique, mais il peut exister un chevauchement des deux rayonnements (X forts et gamma faibles).

En règle générale, les rayons gamma sont issus de l'annihilation d'une paire électron/positron et leur origine provient des événements les plus violents de notre univers :

L'émission gamma entre en compétition avec la conversion interne au niveau nucléaire.

Hypernova et sursaut gamma long
Hypernova et sursaut gamma long
(Figure : d'après NASA)

Pour le césium-137 par exemple, 94,7 % des désintégrations bêta aboutissent à un état excité du noyau dont 85,1 % retournent à l'état stable en émettant un gamma énergique de 661,57 keV contre 9,6 % par la conversion interne.

Cette émission de rayon gamma peut provoquer :

Interactions des photons
avec la matière

Les rayons X et les rayons gamma interagissent avec la matière par plusieurs processus :

Effet Compton>

L'effet Compton (ou diffusion Compton) est une diffusion inélastique reposant sur la conservation de l'énergie cinétique globale du système étudié.

Effet Compton
Effet Compton
(Figure : © vetopsy.fr)

L'électron acquiert une énergie cinétique $K$ et le photon diffusé une énergie $E'<E$, tel que $E=E'+K$.

  • Un photon incident entre en collision avec un électron externe d'un atome.
  • L'électron est éjecté de l'atome (ionisation, si l'énergie du photon est suffisante) suivant un certain angle ($\phi$) et le photon est diffusé selon un autre angle ($\theta$)avec une énergie moindre, i.e. avec un allongement de sa longueur d'onde ( calculs p : 11).

Le spectre des électrons Compton est un spectre continu.

1. La diffusion Compton est plus importante pour les photons ayant une énergie comprise entre 0.2 et 5.0 MeV

  • Les photons transfèrent très peu d'énergie à l'électron libéré et sont diffusés à travers de grands angles.
  • Cet effet augmente avec le nombre atomique (Z).

2. Les photons d’énergies élevées (10 à 100 MeV) transfèrent leur énergie essentiellement aux électrons libérés et ne sont pas beaucoup diffusés.

Effet photoélectrique
Effet photoélectrique
(Figure : d'après phet.colorado.edu)

Remarque : L'effet Thomson (ou diffusion Thomson) est une diffusion élastique qui a lieu généralement entre quelques dizaines de keV et 100 keV.

  • La longueur du photon diffusé est la même que l'incidente.
  • Cet effet est uniquement la limite de faible énergie de la diffusion Compton.

Effet photoélectrique

L'effet photoélectrique est provoqué par l'absorption complète du photon, i.e. il communique toute son énergie au système, contrairement à à l'effet Compton.

$E=K_e+K_{rec}+E_\ell$, où $E=h\nu$ est l'énergie du photon, $K_e$ l'énergie cinétique de l'électron, $K_{rec}$ l'énergie cinétique de recul de l'ion et $E_\ell$ l'énergie de liaison de l'électron sur sa couche.

Albert Einstein expliquera le processus en 1905 dans son premier article de son annus mirabilis par la nature corpusculaire de la lumière.

Cet effet :

  • Effet Photoélectrique
    Effet Photoélectrique
    (Figure : © vetopsy.fr)
    se produit sur un électron interne fortement lié (généralement couche K : $n=1$) par un photon dont l'énergie est supérieure à l'énergie de liaison de l'électron ($E_\ell$).
  • donne un spectre de raies pour les électrons,
  • provoque un recul de l'ion.

Cet ion, d'énergie approximativement $E_\ell$, dont un électron interne a été retiré et qui laisse une place vacante, se désexcite, i.e. un électron d'une couche de plus haute énergie vient la remplir, ce qui provoque :

  • soit par l'émission d'un photon X ou rayon X (fluorescence X),
  • soit par la transmission directe de cette énergie à un autre électron d’une couche quelconque, dit électron Auger, qui est alors éjecté en emportant une énergie cinétique qui est faible.

Ce nom vient du physicien français Pierre-Victor Auger (1899-1993).

L'émission Auger est en compétition avec l'émission X, de la même façon que l'émission gamma est en compétition avec la conversion interne au niveau nucléaire.

L'effet photoélectrique est plus important pour les photons ayant une énergie inférieure à 1 MeV.

  • Les photons transfèrent très peu d'énergie à l'électron libéré et sont diffusés à travers de grands angles.
  • Cet effet augmente avec le nombre atomique à la puissance 5.

Création de paires

Création de paires
Création de paires
(Figure : © vetopsy.fr)

Les photons (ou un autre boson neutre) énergétiques, $E>2m_e=1,02\;MeV$, interagissent avec un champ électromagnétique (noyau, photon) pour produire des paires électron/positron : $\gamma\rightarrow e^+\;+\;e^-$.

$E=K_{E^-}+K_{E^+}+2m_0c^2$, où les $K$ sont les énergies cinétiques des particules beta.

  • Cette matérialisation ne peut se produire dans le vide. En effet, l’impulsion du photon initial doit être absorbée par quelque chose car elle violerait la conservation du quadrivecteur énergie-impulsion, i.e. conservation de l'énergie et de l’impulsion.
  • L'électron produit est hautement ionisant.
  • Le positron, qui perd toute son énergie cinétique au contact de la matière, est annihilé par un autre électron en 10-8 s pour libérer deux photons de 511 keV chacun émis à 180° l'un de l'autre (dématérialisation) : $e^+\;+\;e^-\rightarrow\;2\gamma$.

La création de paires augmente avec le nombre atomique à la puissance 2.

Probabilités des mécanismes d’interaction des photons
Probabilités des mécanismes d’interaction des photons (aluminium)
(Figure : vetopsy.fr d'après Sabir)

Cette création de paires est particulièrement importante dans la nucléosynthèse stellaire et la production de supernova des étoiles massives entre 140 et 250 M$_\odot$.

Probabilités des trois processus

1. Pour $E_\gamma$ < 0,5 MeV, l’effet photoélectrique est prépondérant.

La section efficace diminue lorsque l'énergie augmente : $\sigma_{EPE}\propto 1/E_\gamma^3$.

2. Pour 0,5 MeV < $E_\gamma$ < 3 MeV, l’effet Compton est prépondérant.

Protection radiologie
Protection radiologie
(Photo : © Le point vétérinaire)

3. Pour $E_\gamma$ > 1,02 MeV, l’effet Compton et la création de paires sont en concurrence.

4. Pour $E_\gamma$ > 3 MeV, la création de paires est prépondérante.

La section efficace est proportionnelle à $Z^2$ et augmente avec $E_\gamma$ pour la création de paires contrairement à l’effet photoélectrique et l’effet Compton.

Atténuation des rayons

Les faisceaux de photons sont atténués par la matière et ce processus dépend :

  • de l'énergie des photons,
  • la densité de la matière traversée.

Cette atténuation permet la protection contre ses rayonnements, dit aussi radioprotection.

Rayonnements de particules

MathématiquesMécanique quantiqueModèle standard des particulesAntiparticules
AtomeNoyauÉlectronsFermionsQuarksBaryonsMésons
LeptonsBosonsGluonsPhotonsBosons W± et Z0Boson de Higgs
Réactions nucléairesRayonnements et interactions avec la matière
Interactions fondamentalesInteraction nucléaire forteChromodynamique quantique
Interaction électromagnétiqueÉlectrodynamique quantiqueInteraction faible
Interaction électrofaibleGravitationAstrophysique et Big Bang

Bibliographie
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