Interaction des rayonnements électromagnétiques

Les rayonnements électromagnétiques peuvent provenir de plusieurs sources :

  • lors de la désexcitation d’un noyau (rayonnement γ),
  • lors de la désexcitation d’un atome (rayonnement X),
  • du rayonnement de freinage des particules diffusée,
  • des réactions d’annihilation e--e+,
  • de la désintégration de particule neutre comme les pions ou baryon sigma

Un rayonnement X ou γ est le même type de rayonnement. Seule la dénomination change pour distinguer les réarrangements nucléaires (γ) des réarrangements électroniques (X). 

Si l’on envoi un flux de photon N0 traversant une épaisseur x de matière, on constate que le nombre de photon N ayant traversé la matière ont subit une atténuation exponentielle : lorsqu’un photon traverse la matière, il a une certaine probabilité d’interagir, cette probabilité dépendant de la nature du matériau et de l’énergie du photon. Lorsqu’un photon à interagi, il n’est plus présent à son état originel : il à pu être absorbé où être diffusé en changeant éventuellement d’énergie.

La probabilité linéique d’interaction μ (cm-1) est proportionnel au nombre n de noyau par unité de volume dans le matériau cible et à la section efficace σ d’interaction. Il est plus commode pour calculer le taux de survie N0/N des photons d’utiliser le coefficient d’atténuation massique μ/ρ comme défini ci dessous. Enfin on défini la valeur d’épaisseur x1/2=ln2/μ , lorsque N(x)=N0/2. L’épaisseur de demi atténuation x1/2 (en cm) correspond au cas où la moitié du faisceau initial du rayonnement a disparu après avoir traversé une épaisseur x1/2 (l’épaisseur de demi atténuation joue un rôle similaire à la période T d’un élément  radioactif dont la population décroit exponentiellement en fonction du temps).

gamma interaction

Les rayonnement électromagnétique peuvent interagir dans la matière suivant 3 processus majoritaire :

comptonPEPair

  • Effet photoélectrique :

C’est un processus par lequel le photon incident , cède toute son énergie à un électron des couches  profondes qui est alors éjecté de l’atome : il y a absorption totale du photon et ionisation de  l’atome. La probabilité d’interaction est d’autant plus élevée que l’électron est lié. L’énergie de l’électron est égale à l’énergie du photon incident, moins l’énergie de liaison de l’électron. L’atome réorganise ensuite son cortège électronique provoquant l’émission de rayonnement X, ou d’électrons Auger.

  • Effet Compton :

Le photon incident cède une partie de son énergie à un électron des couches périphériques de l’atome, qui est éjecté. Il apparaît un nouveau photon diffusé,  d’énergie inférieure . Il y a donc diffusion du photon incident et ionisation de l’atome. L’énergie du photon diffusé est fonction de l’angle de diffusion.

  •  La création de paires :

Un photon est capable de se matérialiser en une paire électron-positon. Cette matérialisation  ne se peut se produire que dans le champ d’une particule chargée sinon le principe de conservation de la quantité de mouvement ne pourrait être satisfait. Si cette particule est un noyau, l’énergie du photon est transmis sous forme d’énergie cinétique à la paire électron-positon crée . Pour conserver la quantité de mouvement, le noyau recul mais du fait de sa grande masse, ne reçoit quasiment aucune énergie dans le processus. L’énergie se partage inégalement entre le positon et l’électron, la somme de leur énergie étant quasi égale à celle du photon. Dans le champ coulombien d’un noyau, l’énergie seuil pour la matérialisation du photon est de 1,02 MeV. A cette énergie seuil, les leptons crée ne dispose pas d’énergie cinétique (1,02 MeV correspondant à 2me.

Le processus de création de paire peut aussi avoir lieu dans le champ coulombien d’un électron bien que cela soit beaucoup moins probable.  On désigne souvent cette interaction par la production de triplet. Etant donné la faible masse de l’électron « hôte », celui ci reçoit une quantité de mouvement ce qui lui permet de s’échapper de l’attraction de l’atome. L’énergie du photon se partage entre les 3 particules, l’électron « hôte » et la paire électron-positon crée). L’énergie seuil pour la création de triplet est de 2.044 MeV, où 1.02 MeV est converti en masse (création de la paire sans énergie cinétique). Les 1.02 MeV restant servent à conserver la quantité de mouvement. Le processus de création de triplet dans le champ d’un électron est beaucoup plus rare que la création de paire. Dans le plomb pour un γ de 5 MeV, il y a une création de triplet pour 100 créations de paires dans le champ d’un noyau.

 Les rayonnements électromagnétique peuvent interagir suivant d’autre processus que l’on n’observera pas dans les chambres à brouillard :

  • Diffusion Rayleigh : le photon diffuse sur un électron atomique et change de direction, sans céder de l’énergie à l’atome.
  • Interaction photonucléaire : si l’énergie du photon est suffisante, celui ci peut être absorbé par un noyau et conduire à l’émission de neutron, de proton ou de rayonnement gamma ou même de fragment nucléaire. Ces interactions n’ont lieu qu’a très haute énergie. Par exemple, du Carbone 12 irradié avec des rayonnements γ de 7,6 MeV se désintégre en 3 particules alpha. Si l’énergie des γ est supérieur à 18,6 MeV, le Carbone 12 émet un neutron. De l’azote 14 irradié sous des γ de 100 MeV se désintègre en un proton, un neutron et 3 particules alpha, créant une Star à 4 branches dans le gaz d’une chambre à brouillard. Autre exemples de réactions de photo-désintégration.

 

crosssectionleadgamma

http://physics.nist.gov/cgi-bin/Xcom/xcom3_1