Modèle standard des particules
Rayonnements et interactions avec la matière

Quelques définitions essentielles

Rayonnements

Ces rayonnements ont plusieurs caractéristiques et ce peut être :

• des rayonnements électromagnétiques, tels que la chaleur (cf. chapitre spécial), les ondes radio, la lumière visible, les rayons X et le rayonnement gamma  (cf. notion d'onde) ;
• des rayonnements de particules, tels que le rayonnement alpha ($^4_2He$), le rayonnement bêta (β^- pour les électrons et β⁺ pour les positrons) et le rayonnement protonique ou neutronique ;
• des rayonnements acoustiques, tels que l'échographie, le son et les ondes sismiques (ondes mécaniques) ;
• des rayonnements gravitationnels, rayonnements qui consistent en ondes gravitationnelles ou ondulations dans la courbure de l'espace-temps.

Les interactions rayonnement-matière décrivent les effets d'un rayonnement sur un atome et " rayonnement " est pris dans son sens quantique.

Réactions nucléaires et diffusion

Ces rayonnements, suivant leur énergie, provoquent :

• 1. des réactions dites nucléaires, i.e. avec modification de l'état quantique du noyau ;
• 2. des réactions de diffusion, i.e. qui ne modifient pas le noyau.

La particule projectile ou les particules projectiles (ensemble de nucléons) ont leur trajectoire modifiée. Elles sont caractérisées par :

• leur énergie cinétique : $E=1/2mv^2$,
• leur quantité de mouvement : $\vec p=m\vec v$.

Diffusion ou choc élastique

La diffusion élastique :

• dans sa définition classique, conserve l'énergie cinétique du système et la quantité de mouvement;
• dans sa définition quantique, s'effectue sans transfert d'énergie, i.e. sans perte.

1. Pour les ondes électromagnétiques, c'est le cas :

• de la diffusion ou effet Thomson, dans laquelle l'énergie du photon est bien inférieure à l'énergie de la particule ($E=mc^2$), i.e. sa longueur d'onde du photon reste inchangée.
• de la diffusion ou effet Rayleigh dans laquelle les ondes électromagnétiques ou sonores ont une longueur d'onde bien plus plus grande que la taille des particules diffusantes, i.e. leur énergie est très faible, quelques eV seulement.

Cet effet explique la couleur bleue du ciel et le coucher rouge de soleil.

2. Pour les particules massives :

• si la collision a lieu avec les électrons atomiques, la particule cède son énergie à l'élément-cible (atome) entier, ce qui est négligeable dès que $E> 100\;eV$ ;
• si la collision avec le noyau, la particule-projectible est seulement déviée (diffusion Rutherford).

Diffusion inélastique

La diffusion inélastique

• dans sa définition classique, ne conserve pas l'énergie cinétique, mais conserve la quantité de mouvement ;
• dans sa définition quantique, s'effectue avec transfert d'énergie, i.e. avec perte.

1. Une partie de l'énergie de la particule incidente est perdue ou augmentée.

Pour les photons, on parle de l'effet Raman et on peut observer :

• un décalage vers le rouge (diffusion de Stockes Raman) ou
• un décalage vers le bleu (diffusion de anti-Stockes Raman), selon que le photon cède ou augmente son énergie.

Pour les particules massives, il se produit un ralentissement et il se produit :

• soit un rayonnement continu de freinage, dit Bremsstrahlung, i.e. rayonnement électromagnétique à spectre large créé par le ralentissement de charges électriques (rayonnement blanc) : l'énergie étant quantifiée, le spectre du flux est quasiment continu.
• soit l'émission du rayonnement de Tcherenkov, comme la lumière bleue qu'on voit dans la cuve d'eau qui entoure le cœur d'un réacteur nucléaire, i.e. rayonnement similaire à une onde de choc qui produit un flash de lumière lorsqu'une particule chargée se déplace dans un milieu diélectrique avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu.

2. Elle peut donc transmettre son énergie à l'électron ou au noyau.

Pour les électrons :

• si l'énergie du projectile est faible, l'excitation de l'électron le fait sauter sur une orbitale à énergie plus élevée (cf. emission et absorption de photons et orbitales et spin-orbitales).
• Si l'énergie est suffisante, le projectile provoque l'ionisation.

Pour les particules atomiques, comme les neutrons, l'interaction avec le noyau ne provoque pas de capture, mais l'excitation du noyau qui doit se relaxer en général par la désintégration alpha, beta ou gamma avec un recul du noyau.

Rayonnements ionisants

1. On classe les rayonnements comme ionisants ou non ionisants en fonction de l'énergie des particules rayonnée (cf. tableau).

• Les rayonnements directement ionisants possèdent une charge électrique.
• Les rayonnements indirectement ionisants n'en possèdent pas.

Types de rayonnement			Charge
Rayonnements électromagnétiques	Non-ionisants	Ondes radio	0
		Micro-ondes
		Térahertz
		Infrarouge
		Visible
		Ultraviolet
	Indirectement ionisants	Ultraviolet lointain
		Rayon X
		Rayon gamma
Rayonnements corpusculaires		Neutron
	Directement ionisants	Électron (β-)	-1
		Positron (β+)	+1
		Muon	-1
		Proton	+1
		Particule $\alpha$ ($^4_2He$)	+2
		Ion $^{12}C$	+6
		Autres ions	variable

2. L'ionisation est le processus par lequel un atome ou une molécule acquiert une charge négative ou positive, en gagnant ou en perdant des électrons.

Les ions sont donc des atomes ou groupes d'atomes qui ont gagné ou perdu un ou plusieurs électrons et possèdent donc une charge positive ou négative

L'ionisation résulte :

• de l'interaction avec des photons énergétiques (rayons X ou gamma),
• de la perte d'un électron après des collisions avec des particules subatomiques,
• des collisions avec d'autres atomes, des molécules et des ions.

Interactions des 
 rayonnements avec la matière

Ces rayonnements peuvent agir différemment avec la matière :

• interactions de photons avec la matière,
• interactions des particules massives.