I-3. Interaction photon-matière:
L'interaction entre les photons et la matière par laquelle
les photons individuels sont enlevés ou
défléchis du faisceau primaire de rayons X ou de
rayons ã peut être classifiée selon :
- Le type de cible : par exemple, les électrons, les
atomes ou les noyaux avec lesquels le photon
interagit.
- Le type d'événement : par exemple : diffusion,
absorption, production de paires, etc....qui se
produit.
Les interactions qui se produisent avec les électrons
atomiques sont :
- L'effet photoélectrique (absorption)
- La diffusion de Rayleigh (diffusion)
- La diffusion de Compton (diffusion)
- La diffusion de Compton à deux photons (Effet multi
photonique)
Les principales interactions possibles sont : l'effet
photoélectrique, l'effet Compton et création de paires,
d'autres effets de moindre importance : l'effet Thomson-Rayleigh
et photo nucléaire. [5]
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I-3-1. L'effet photo-électrique:
L'effet photoélectrique est le mode dominant
d'interaction pour les photons de basse énergie (0.01 et 0.1 MeV).
Le photon entre en collision avec un électron des
couches internes de l'atome. L'énergie E du photon incident est
transférée à l'électron qui est
éjecté de sa couche. Une partie de cette énergie est
utilisée pour «extraire» l'électron interne
(énergie de liaison W); l'excédent d'énergie se retrouve
sous forme d'énergie cinétique de l'électron
éjecte. Par conséquent, E = W+Ec.
L'effet photoélectrique ne peut avoir lieu que si
l'énergie du photon incident est supérieure à
l'énergie de liaison de l'électron.
L'énergie cinétique du photoélectron est
finalement transférée au milieu lors d'ionisations
ultérieures. Le retour de l'atome a l'état fondamental
s'accompagne d'une émission d'énergie sous forme d'un photon de
fluorescence ou d'un électron Auger. Le photon de fluorescence est
émis lorsqu'un électron des couches supérieures prend la
place laissée vacante par l'électron éjecte. Parfois, pour
des milieux de Z petit, le photon de fluorescence produit un nouvel effet
photoélectrique avec émission d'un électron: c'est l'effet
Auger.
Figure I.5 : Effet photoélectrique.
I.3.2. Effet Compton :
Cet effet est produit si le photon incident possède une
énergie de 0.1 à 0.5 MeV.
Le photon interagit avec un électron libre ou peu
lié et l'interaction conduit l'éjection de l'électron, et
le photon incident subit une diffusion avec une énergie
inférieure à son énergie initiale.
L'énergie du photon diffusé et électron
de Compton est donnée simplement, en appliquant les lois de la
conservation de l'énergie et du moment cinétique au choc du
photon avec un électron libre, ce qui donne la relation suivante :
hí= hí' + Ec
hí est l'énergie du rayonnement
électromagnétique incident, et Ec est
l'énergie cinétique de l'électron éjecté.
Au cours de l'interaction, une partie de l'énergie du
photon est transmise à l'électron, qui recule et le reste de
l'énergie, hí apparaît sous la forme d'un
photon diffusé.
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Figure I.6 : Effet Compton.
I.3.3. L'effet de création de paire
(matérialisation) : Condition : Ein >
2meC2. Ei> 1.02 MeV
Dans le champ électrique intense qui règne au
voisinage du noyau, le photon peut se matérialiser sous forme d'un
électron et d'un positon.
La conservation de l'énergie s'écrit :
E=2E0+Ee-+Ee+
Où E0 est l'équivalent
énergétique de la masse de l'électron (E0
= 2meC2 = 0,511 MeV), Ee+ et
Ee- sont respectivement les énergies cinétiques
de l'électron et du positron.
L'électron et le positron sont ralentis dans la
matière.
Figure I.7 : Effet de production des
paires.
I.3.4. Domaine de prépondérance de chacun
des effets :
L'importance relative des différents types d'interaction
est en fonction de l'énergie de la radiation et du numéro
atomique du milieu, on peut reporter dans le plan (hí, Z) les lieux de
probabilité des effets. Ceci permet de définir trois zones :
- Faible énergie des photons et haut Z:
prédominance de l'effet photoélectrique.
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- Énergie moyenne et Z moyen: prédominance de
l'effet Compton.
- Énergie élevée et Z élevé:
prédominance de la production de paires.
Figure I.8 : Probabilités de
réalisation des effets photoélectrique, Compton et de production
de paires en fonction de l'énergie.
D'après la figure, il apparait que :
- L'effet photoélectrique prédomine aux basses
énergies. La probabilité d'occurrence est une fonction
décroissante de l'énergie du rayonnement incident ;
- L'effet Compton est l'effet prédominant aux
énergies intermédiaires
- la probabilité d'occurrence de l'effet de production
de paires, au-dessus de son seuil d'apparition de 1,022 MeV, est une fonction
croissante de l'énergie.
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