Interactions des photons avec la matière 1

1. Description des mécanismes :

Plusieurs mécanismes d’interaction coexistent, dont la probabilité d’occurrence varie en fonction

• De l’énergie du rayonnement,
• De la densité électronique du milieu traversé.

Les rayonnements électromagnétiques peuvent interagir avec :

Les électrons :

• Diffusion simple
• Diffusion Compton
• Effet photoélectrique

Les noyaux:

• Matérialisation (création de paires)
• Effet photo-nucléaire

2.Ondes et longueurs d’onde :

• Ondes classées par leur longueur (fréquence et niveau d’énergie variant dans le sens inverse à la longueur).
• Très longues longueurs d’ondes (ex : ondes radiofréquences) en IRM.
• Ondes du spectre visible entre 0,8 micromètre à 0,4 micromètre, (800 à 400nm). Encadrées par les infrarouges et les ultraviolets.
• Ondes les plus énergétiques : rayons X < rayons gamma < les rayons cosmiques.

Aspect microscopique

• La matière est essentiellement composée de vide.
• Chaque photon peut donc, avec une certaine probabilité interagir avec électrons/noyaux ou ne pas interagir du tout

Aspect macroscopique

Un rayon est un faisceau de photons monoénergétiques dans une distance dx de matière homogène. Ils sont :

Diffusés, déviés de leur trajectoire avec ou sans perte d’énergie en fonction du mode de diffusion,

Transmis (absence d’interaction)

Absorbés, l’énergie a été totalement transmise à la matière.

3.Diffusion simple : Thomson- Rayleigh

Au voisinage d’un atome, photon incident E = hv dévié par l’atome, sans modification d’énergie.

• Trajectoire déviée
• Concerne les photons de faible énergie
• N’entraine pas d’ionisation ; on parle de diffusion cohérente ou élastique.

Effets secondaires:

• N’ont pas d’échange d’énergie avec la matière
• Dégradent la qualité de l’image.
• Eliminés en partie par l’emploi de grilles anti- diffusantes (collimateur)

4.Effet Compton:

Photon cède une partie de son énergie à un électron périphérique

• Electron éjecté hors de l’atome, il y a alors une ionisation.
• Concerne tous les électrons pour les atomes de numéro atomique Z faible, et éléments périphériques à Z élevés.
• Diffusion incohérente ou inélastique, le photon diffusé a perdu une partie de son énergie.

Du fait de la conservation de l’énergie, l’énergie initiale (E) se distribue entre celle de l’énergie du photon

diffusé (E’) et l’énergie cinétique de l’électron Compton (Ec). L’énergie se distribue aussi en partie avec

l’énergie liaison (El) de l’électron qui est souvent négligée, car petite comparativement aux deux autres.

5.Aspect énergétique et angulaire:

Energies et angles liés par les relations Compton.

• « psi » est l’angle de direction du photon diffusé, compris entre 0 et 180° (psi = 180°, photon rétro-diffusé)
• « téta » est l’angle de la direction de l’électron Compton, compris entre 0 et 90° (téta = 90°, l’énergie cinétique de l’électron est proche de 0)
• Utiles pour la description qualitative des effets secondaires de l’effet Compton en imagerie et radiobiologie.

Dans les cas extrêmes:

Dans le choc tangentiel :

• L’énergie du photon diffusé est maximale,
• L’angle psi est égal à 0°
• L’énergie cinétique de l’électron Compton est quasi nulle
• L’angle téta de 90°.
• Le photon diffusé va dans la même direction que le photon incident.

Dans le choc frontal:

• L’énergie du photon diffusé est minimale
• L’angle psi est de 180° ;
• L’énergie cinétique de l’électron Compton est maximale, et donc proche de l’énergie du photon incident
• L’angle téta est de 0°.
• Le photon diffusé va dans la direction opposée du photon incident ; On dit que le photon est rétro-diffusé.

4.Probabilité angulaire:

• Dépendent de l’énergie du photon incident
• Plus l’énergie du photon incident augmente, plus les émissions se resserrent vers l’avant (pour le photon diffusé et pour l’électron)

Effets secondaire:

• Electron éjecté puis ralenti dans la matière, cède progressivement son énergie cinétique à la faveur d’interactions
• Trou électronique se comble selon la cascade fluorescence/effet Auger
• Photons et électrons émis vont eux-mêmes produire des interactions en fonction de leur énergie et du milieu traversé (Z).

5.Effet photoélectrique:

• Energie du photon incident totalement transférée à l’électron (photon incident disparaît)
• Electron éjecté hors de l’atome (ionisation).
• Phénomène d’absorption totale du photon, concerne essentiellement les électrons des couches profondes K et L.
• Plus Z augmente, plus l’énergie de liaison de la couche K est importante.
• Pour l’effet photoélectrique, l’énergie du photon incident doit être supérieure à l’énergie de liaison de l’électron.

Effets secondaire:

• Electron éjecté puis ralenti dans la matière, cède progressivement son énergie cinétique à la faveur d’interactions
• Trou électronique se comble selon la cascade fluorescence/effet Auger
• Photons et électrons émis vont eux-mêmes produire des interactions en fonction de leur énergie et du milieu traversé (Z).