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
(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 :
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.
Leur énergie est comprise entre une centaine d'ev (électron-volt), à plusieurs GeV (109 eV).
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.
Lors de désintégration alpha ou beta qui laisse le noyau excité, le rayon gamma interagit avec un électron auquel il transfère toute son énergie, et disparaît : on appelle ce processus une conversion électronique.
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.
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.
$E=K_e+K_{rec}+E_\ell$, 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.
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 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.
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.
$E=K_{E^-}+K_{E^+}+2m_0c^2$, 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.
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 (aluminium)
(Figure : vetopsy.fr d'après Sabir)
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.
calculs p : 11). 
