Interaction des rayonnements électromagnétique

Interactions des rayonnements électromagnétique dans les chambres à brouillard

Les images ci dessous sont tirés du livre de Bothe, Gentner et Maier-Leibniz, publié en 1940 : the Atlas of Typical Cloud Chamber Images. Elles sont toutes prises dans une chambre à expansion de Wilson.

Effet photoélectrique

photoelectronXray Copper

Photélectron extrait d’un écran de cuivre et photoélectron dû à la radiation
K du cuivre sous 530 m Hg (1923).

La photographie à été prise avec une très faible intensité de rayons X irradiant une plaque de cuivre. Un électron de la couche K d’un atome de cuivre à été éjecté par effet photoélectrique (trace juste à coté de l’écran). Le photon de fluorescence K, émis lors de la réorganisation de la couche K, à extrait du gaz de la chambre un autre électron à une certaine distance de l’écran de cuivre. La longueur de la trajectoire de cet électron permet de calculer son énergie qui correspond bien à l’énergie de la radiation K du cuivre (8 keV).

Création de paires dans le champs Coulombien d’un noyau ou d’un électron

pair creation

Paire électron-positon créée dans l’air. Electron (à gauche) de 9.5 MeV. Le positon de 5.6 MeV est dévié à droite. Le rayonnement γ avait une énergie de 16.1 MeV.

La photo ci dessus montre une paire e+-e- créée par la radiation γ qui résulte de la capture de protons par du lithium.

Nota :  On pourrait penser que l’image ci dessus montre la collision inélastique d’un électron (venant du haut) sur un noyau. Cependant la perte d’énergie par Bremsstralung lors de la collision avec un angle de diffusion si élevée serait trop importante : le rayon de courbure serait très faible, alors qu’on observe une trajectoire presque en ligne droite sur la photo.

pair creation lead

Paire d’électrons créée dans une feuille de plomb de 0.33 mm (électron de 7.9 MeV et positon de 1.9 MeV), champ magnétique de 2500 gauss, diamètre de la chambre 14 cm.

pair creation ch3

Paire d’électron-positon créée dans le méthane à 1,5 atm. L’électron décrit plusieurs spires. Le diamètre de la chambre est de 30 cm, avec un champ magnétique de 1620 gauss. Un miroir permet d’avoir une vue stéréoscopique des événements (1949).

 

triplet creation ch3

Création de triplet dans le méthane sous 1.5 atm. Le diamètre de la chambre est de 30 cm, énergie des γ 6 et 7 MeV, champ magnétique de 1620 gauss (1949).

Ci dessus image rare du processus de création de paires dans le champ d’un électron (production de triplet). Les rayons γ produits par bombardement du fluor avec des protons de 5 MeV entrent dans la chambre par un diaphragme dans la direction indiquée par la flèche.

Xray pair creation

Création de paire par des rayonnements X de freinage de 335 MeV. Diamètre de la chambre 38 cm, champ magnétique de 1T. Au milieu de la chambre se trouve un écran de plomb de 0.025 mm d’épaisseur. Les rayons X du au freinage d’électrons de 335 MeV viennent d’en bas. Les électrons des paires crées sont déviés vers la gauche. Le mélange est de 50% d’argon et 50% d’hélium sous 1.5 atm. Les électrons venant du bas proviennent de création de paires lointaines (les rayons X ont interagis dans les parois de la chambre)

Aux grandes énergies et pour des numéro atomiques élevés, l’absorption des rayons γ se fait presque exclusivement par création de paires. Le cliché illustre ce fait, où seules des paires e+e (d’ énergie moyenne 100 MeV) sont créées dans l’écran de plomb. On observe aussi une paire crée dans le gaz, sous l’écran, un peu vers la gauche. On note qu’à gauche de la photo (et au milieu), un électron de 250 MeV n’a pas été dévié par la feuille de plomb de très faible épaisseur (un électron de 50 MeV perd environ 0,5% de son énergie en traversant cette feuille).

A propos des gerbes électromagnétiques

A haute énergie (> dizaine de MeV), les photons interagissent presque uniquement par matérialisation en paires  e+e– au voisinage des noyaux voire des électrons atomiques. Toujours à hautes énergies, ces particules vont interagir par émission de photon de freinage X (Bremsstrahlung) qui vont eux même interagir par d’autre création de paires. La combinaison de ces deux effets résulte en la formation d’une « gerbe électromagnétique » dès qu’un photon ou qu’un électron pénètre dans un milieu dense.

cascade

Représentation schématique d’une gerbe électromagnétique initiée par un rayonnement électronique ou électromagnétique



electromagnetic shower

Rayons de haute énergie provenant du freinage d’électron de 335 MeV du synchrotron de Berkeley. Les rayons X pénètre dans la chambre, de gauche à droite, où se trouvent onze écrans de plomb de 3 mm d’épaisseur.

Gerbe électromagnétique (ci dessus) : dans une chambre à brouillard, des rayonnements gamma très énergétique arrivent sur la gauche de la photo. Ils ne créent pas de traces avant le premier écran car ce sont des particules neutres. Cependant ils interagissement massivement dans le premier écran par création de paire, générant des milliers d’électrons et de positons. Ces particules ont une énergie si élevée qu’il seraient capables de traverser tous les écrans de plomb s’il n’étaient ralentis que par le processus d’ionisation. Les pertes des électrons et positons résulte en grande partie du Bremsstrahlung à haute énergie. Les photons X de freinage de ces particules peuvent à leur tour libérer des électrons secondaires par effet photoélectrique, Compton ou créer d’autres paires si ERayonX>1.02 MeV. La gerbe, constituée uniquement d’électrons et de positons, atteint son maximum d’intensité au niveau du quatrième écran, puis on observe moins de traces par suite de l’absorption des particules dont l’énergie devient de plus en plus faible. La gerbe s’étend jusqu’à ce que les énergies des photons soient inférieure au seuil de création de paire ou lorsque l’énergie des électrons tombe sous le seuil critique Ec où les processus de perte d’énergie par Bremsstrahlung ne sont plus dominant par rapport aux pertes d’énergies par ionisation.

Effet photonucléaire

photonuclear reaction cloud chamber

Effet photonucléaire dû à des rayons X de 100 MeV (rayonnement de freinage). Diamétre de la chambre 30 cm, remplissage air avec eau + alcool sous 1 atm. Champ magnétique 3900 gauss : les positons sont déviés vers la gauche

Quant l’énergie d’un rayon γ dépasse l’énergie de liaison d’une particule dans un noyau, l’expulsion d’un constituant du noyau devient possible. On appelle cet effet l’effet photonucléaire par analogie avec l’effet photoélectrique dans les couches électroniques. Sur la photo ci dessus, les rayons γ d’un bétatron de 100 MeV pénétrent par le bas par une fenêtre de 2,5 cm pratiquée dans un écran protecteur de plomb. Outre de nombreux positons et électrons issus de la paroi, on observe une désintégration d’un noyau probablement d’oxygène ou d’azote, avec émission d’un proton ou d’une particule alpha. On distingue la petite trace du noyau de recul.

photonuclear star betatron

Désintégration de l’azote par des rayonnements X de freinage produits par un bétatron de 100 MeV (conditions identique à la photo précédente)

Si l’énergie du photon est suffisante, plusieurs particules peuvent être éjectées du noyau comme le montre la figure ci dessus pour l’azote. On observe quatre particules, la trace fine est celle d’un proton, les trois traces épaisses sont celles des particules alpha. les énergies des particules alpha déduites de leurs parcours sont de 3,8 ;  2,4 et 2,5 MeV, celle du proton mesuré par sa courbure dans le champ magnétique, 9,4 MeV. La conservation de l’impulsion et de la masse exige l’émission d’une autre particule, un neutron. La réaction est donc :

photonuclear star betatron reactionLa direction et l’énergie du neutron ainsi que l’énergie du photon incident peuvent se calculer à partir de la direction d’émission et de l’énergie des particules grâce à la conservation de l’énergie et de l’impulsion. Le neutron à ainsi une énergie de 2,5 MeV et le photon γ, 41 MeV.

On peut préciser que les rayonnements gamma sont capable d’interagir avec un neutron ou un proton où la réaction produit des pions chargés ou neutre, accompagnée de proton ou de neutron.  L’énergie minimale du photon, dans le cas de la production d’un pion positif avec une énergie cinétique de 1,4 MeV est de 152 MeV.