Nick Connor

Les rayons X, également appelés rayonnement X, désignent un rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) de hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc de très haute fréquence. La fréquence de rayonnement est le paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies allant des ondes radio à faible énergie et du rayonnement infrarouge, en passant par la lumière visible, aux rayons X et rayons gamma à haute énergie .

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3×10¹⁶ Hz à 3×10¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma.

Spectre de rayons X – Caractéristique et continu

Pour les rayons X générés par le tube à rayons X, la part d’énergie qui est transformée en rayonnement varie de zéro jusqu’à l’énergie maximale de l’électron lorsqu’il frappe l’anode. L’énergie maximale du photon X produit est limitée par l’énergie de l’électron incident, qui est égale à la tension sur le tube multipliée par la charge de l’électron, de sorte qu’un tube de 100 kV ne peut pas créer de rayons X avec une énergie supérieure à 100 keV. Lorsque les électrons atteignent la cible, les rayons X sont créés par deux processus atomiques différents:

• Bremsstrahlung. Le bremsstrahlung est un rayonnement électromagnétique produit par l’accélération ou la décélération d’un électron lorsqu’il est dévié par de puissants champs électromagnétiques de noyaux cibles à Z élevé (nombre de protons). Le nom bremsstrahlung vient de l’allemand. La traduction littérale est « rayonnement de freinage ». D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit émettre de l’énergie. Le bremsstrahlung est l’une des interactions possibles des particules légères chargées avec la matière (en particulier avec des numéros atomiques élevés). Ces rayons X ont un spectre continu. L’intensité des rayons X augmente linéairement avec la fréquence décroissante, à partir de zéro à l’énergie des électrons incidents, la tension sur le tube à rayons X. Changer le matériau à partir duquel la cible dans le tube est faite n’a aucun effet sur le spectre de ce rayonnement continu. Si nous devions passer d’une cible de molybdène à une cible de cuivre, par exemple, toutes les caractéristiques du spectre des rayons X changeraient, à l’exception de la longueur d’onde de coupure.
• Émission de rayons X caractéristique. Si l’électron a suffisamment d’énergie, il peut faire sortir un électron orbital de la couche électronique interne d’un atome de métal. Étant donné que le processus laisse un vide dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome descendent en cascade pour remplir les niveaux atomiques inférieurs, et un ou plusieurs rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité pointus apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde caractéristiques du matériau à partir duquel la cible d’anode est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr.

La conversion interne est un processus électromagnétique par lequel un état nucléaire excité se désintègre par l’ émission directe d’un de ses électrons atomiques.

Étant donné que le processus laisse un vide dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome descendent en cascade pour remplir les niveaux atomiques inférieurs, et un ou plusieurs rayons X caractéristiques sont généralement émis. Parfois, les rayons X peuvent interagir avec un autre électron orbital, qui peut être éjecté de l’atome. Ce deuxième électron éjecté est appelé un électron Auger. Ceci est très similaire à la capture d’électrons, mais en cas de capture d’électrons, un noyau change de numéro atomique. En conséquence, l’atome émet donc un électron primaire de haute énergie, des rayons X caractéristiques ou un électron Auger secondaire, dont aucun ne provient de ce noyau.

Voir également:

Rayons X [ /lgc_column]

Les rayons X, également appelés rayonnement X, désignent un rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) de hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc de très haute fréquence. La fréquence de rayonnement est le paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies allant des ondes radio à faible énergie et du rayonnement infrarouge, en passant par la lumière visible, aux rayons X et rayons gamma à haute énergie.

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3×10¹⁶ Hz à 3×10¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma. La distinction entre les rayons X et les rayons gamma n’est pas si simple et a changé au cours des dernières décennies. Selon la définition actuellement en vigueur, les rayons X sont émis par des électrons extérieurs au noyau, tandis que les rayons gamma sont émis par le noyau.

Étant donné que les rayons X (en particulier les rayons X durs) sont en substance des photons de haute énergie, ils sont très pénétrants dans la matière et sont donc biologiquement dangereux. Les rayons X peuvent parcourir des milliers de pieds dans l’air et peuvent facilement traverser le corps humain.

Interaction des rayons X avec la matière

Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois principaux mécanismes d’interaction avec la matière. La force de ces interactions dépend de l’ énergie des rayons X et de la composition élémentaire du matériau, mais pas beaucoup des propriétés chimiques, car l’énergie des photons des rayons X est beaucoup plus élevée que les énergies de liaison chimique. L’absorption photoélectrique domine aux basses énergies des rayons X, tandis que la diffusion Compton domine aux énergies plus élevées.

• Absorption photoélectrique
• Diffusion Compton
• Diffusion Rayleigh

Absorption photoélectrique des rayons X

Dans l’effet photoélectrique, un photon subit une interaction avec un électron qui est lié dans un atome. Dans cette interaction, le photon incident disparaît complètement et un photoélectron énergétique est éjecté par l’atome de l’une de ses couches liées. L’énergie cinétique du photoélectron éjecté (E _e ) est égale à l’énergie du photon incident (hν) moins l’ énergie de liaison du photoélectron dans sa couche d’origine (E_b).

E _e = hν-E _b

Par conséquent, les photoélectrons ne sont émis par effet photoélectrique que si le photon atteint ou dépasse une énergie seuil – l’énergie de liaison de l’électron – le travail de sortie du matériau. Pour les rayons X très élevés avec des énergies supérieures à des centaines de keV, le photoélectron emporte la majorité de l’énergie du photon incident – hν.

Aux faibles valeurs d’énergie des rayons gamma, l’effet photoélectrique domine. Le mécanisme est également renforcé pour les matériaux de numéro atomique Z élevé. Il n’est pas simple de dériver une expression analytique de la probabilité d’absorption photoélectrique du rayon gamma par atome sur toutes les gammes d’énergies des rayons gamma. La probabilité d’absorption photoélectrique par unité de masse est approximativement proportionnelle à :

τ _{(photoélectrique)} = constante x Z ^N /E ^3,5

où Z est le numéro atomique, l’exposant n varie entre 4 et 5. E est l’énergie du photon incident. La proportionnalité aux puissances supérieures du numéro atomique Z est la principale raison de l’utilisation de matériaux à Z élevé, tels que le plomb ou l’uranium appauvri dans les écrans gamma.

Bien que la probabilité de l’absorption photoélectrique du photon diminue, en général, avec l’augmentation de l’énergie du photon, il existe de fortes discontinuités dans la courbe de section. Celles-ci sont appelées « arêtes d’absoption » et ils correspondent aux énergies de liaison des électrons des coquilles liées de l’atome. Pour les photons avec l’énergie juste au-dessus du bord, l’énergie du photon est juste suffisante pour subir l’interaction photoélectrique avec l’électron de la coque liée, disons K-shell. La probabilité d’une telle interaction est juste au-dessus de ce bord bien supérieure à celle des photons d’énergie légèrement en dessous de ce bord. Pour les photons en dessous de ce bord, l’interaction avec l’électron de la couche K est énergétiquement impossible et, par conséquent, la probabilité chute brusquement. Ces bords se produisent également aux énergies de liaison des électrons d’autres couches (L, M, N …..).

Diffusion Compton des rayons X

La formule de Compton a été publiée en 1923 dans la Physical Review. Compton a expliqué que le déplacement des rayons X est causé par l’ élan des photons, semblable à une particule. La formule de diffusion Compton est la relation mathématique entre le décalage de la longueur d’onde et l’angle de diffusion des rayons X. Dans le cas de la diffusion Compton, le photon de fréquence  f  entre en collision avec un électron au repos. Lors de la collision, le photon rebondit sur l’électron, abandonnant une partie de son énergie initiale (donnée par la formule de Planck E = hf), tandis que l’électron prend de l’élan (masse x vitesse), le photon ne peut pas réduire sa vitesse. En raison de la loi de conservation de l’impulsion, le photon doit abaisser son impulsion donnée par :

La diminution de l’impulsion du photon doit donc se traduire par une diminution de fréquence (augmentation de la longueur d’onde Δ λ = λ’ – λ ). Le décalage de la longueur d’onde augmente avec l’angle de diffusion selon  la formule de Compton:

où λ  est la longueur d’onde initiale du photon λ’ est la longueur d’onde après diffusion, h est la constante de Planck = 6,626 x 10 ^-34  Js, m _e est la masse au repos des électrons (0,511 MeV) c est la vitesse de la lumière Θ est la diffusion angle. La variation minimale de longueur d’onde ( λ′  –  λ ) pour le photon se produit lorsque Θ = 0° (cos(Θ)=1) et est au moins nulle. La variation maximale de longueur d’onde ( λ′  −  λ) pour le photon se produit lorsque Θ = 180° (cos(Θ)=-1). Dans ce cas, le photon transfère à l’électron autant de quantité de mouvement que possible. Le changement maximal de longueur d’onde peut être dérivé de la formule de Compton:

La quantité h/m_e c est appelée  longueur d’ onde Compton de l’électron et vaut 2,43.10 ^-12 m. 

Diffusion Rayleigh – Diffusion Thomson

La diffusion Rayleigh, également connue sous le nom de diffusion Thomson, est la limite de basse énergie de la diffusion Compton. L’énergie cinétique des particules et la fréquence des photons ne changent pas à la suite de la diffusion. La diffusion Rayleigh se produit à la suite d’une interaction entre un photon entrant et un électron, dont l’énergie de liaison est nettement supérieure à celle du photon entrant. Le rayonnement incident est supposé mettre l’électron en oscillation forcée résonnante de sorte que l’électron réémet un rayonnement de la même fréquence mais dans toutes les directions. Dans ce cas, le champ électrique de l’onde incidente (photon) accélère la particule chargée, l’amenant à son tour à émettre un rayonnement à la même fréquence que l’onde incidente, et donc l’onde est diffusée. La diffusion Rayleigh est significative jusqu’à ≈ 20keV et comme la diffusion Thomson, elle est élastique. La section efficace de diffusion totale devient une combinaison des sections efficaces de diffusion liées de Rayleigh et de Compton. La diffusion Thomson est un phénomène important en physique des plasmas et a été expliquée pour la première fois par le physicien JJ Thomson. Cette interaction a une grande importance dans le domaine de la cristallographie aux rayons X.

Voir également:

Rayons X [ /lgc_column]

Les rayons X, également appelés rayonnement X, désignent un rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) de hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc de très haute fréquence. La fréquence de rayonnement est le paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies allant des ondes radio à faible énergie et du rayonnement infrarouge, en passant par la lumière visible, aux rayons X et rayons gamma à haute énergie.

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3×10¹⁶ Hz à 3×10¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma.

Rayons X mous et durs

Les rayons X sont généralement décrits par leur énergie maximale, qui est déterminée par la tension entre les électrodes. Les rayons X avec des énergies photoniques élevées (supérieures à 5-10 keV) sont appelés rayons X durs, tandis que ceux avec une énergie plus faible (et une longueur d’onde plus longue) sont appelés rayons X mous. En raison de leur capacité de pénétration, les rayons X durs sont largement utilisés pour imager l’intérieur d’objets visuellement opaques. Les applications les plus souvent rencontrées sont en radiographie médicale. Étant donné que les longueurs d’onde des rayons X durs sont similaires à la taille des atomes, elles sont également utiles pour déterminer les structures cristallines par cristallographie aux rayons X. En revanche, les rayons X mous sont facilement absorbés dans l’air. La longueur d’atténuation des rayons X de 600 eV dans l’eau est inférieure à 1 micromètre.

Radiographie – Production

Étant donné que les rayons X sont des photons de haute énergie, qui ont une nature électromagnétique, ils peuvent être produits chaque fois que des particules chargées (électrons ou ions) d’une énergie suffisante frappent un matériau. C’est similaire à l’ effet photoélectrique, où les photons peuvent être annihilés lorsqu’ils frappent la plaque métallique, chacun cédant son thermodynamics/what-is-energy-physics/what-is-kinetic-energy/ »>énergie cinétique à un électron.

Les rayons X peuvent être générés par un tube à rayons X, un tube à vide qui utilise une haute tension pour accélérer les électrons libérés par une cathode chaude à une vitesse élevée. La cathode doit être chauffée pour émettre des électrons. Des électrons, accélérés par des différences de potentiel de dizaines de milliers de volts, sont dirigés vers une cible métallique (généralement en tungstène ou un autre métal lourd) dans un tube à vide. Plus la tension entre les électrodes est élevée, plus les électrons atteindront une énergie élevée. En frappant la cible, les électrons accélérés sont brusquement arrêtés et les rayons X et de la chaleur sont générées. La majeure partie de l’énergie est transformée en chaleur dans l’anode (qui doit être refroidie). Seulement 1 % de l’énergie cinétique des électrons est convertie en rayons X. Les rayons X sont généralement générés perpendiculairement au trajet du faisceau d’électrons.

Une source spécialisée de rayons X qui devient largement utilisée dans la recherche est l’accélérateur de particules, qui génère un rayonnement connu sous le nom de rayonnement synchrotron. Lorsque des particules chargées ultra-relativistes se déplacent à travers des champs magnétiques, elles sont obligées de se déplacer le long d’une trajectoire courbe. Étant donné que leur direction de mouvement change continuellement, ils accélèrent également et émettent ainsi un bremsstrahlung, dans ce cas, on parle de rayonnement synchrotron.

Les rayons X peuvent également être produits par des protons rapides ou d’autres ions positifs. L’émission de rayons X induite par les protons ou l’émission de rayons X induite par les particules est largement utilisée comme procédure analytique.

Spectre de rayons X – Caractéristique et continu

Pour les rayons X générés par le tube à rayons X, la part d’énergie qui est transformée en rayonnement varie de zéro jusqu’à l’énergie maximale de l’électron lorsqu’il frappe l’anode. L’énergie maximale du photon X produit est limitée par l’énergie de l’électron incident, qui est égale à la tension sur le tube multipliée par la charge de l’électron, de sorte qu’un tube de 100 kV ne peut pas créer de rayons X avec une énergie supérieure à 100 keV. Lorsque les électrons atteignent la cible, les rayons X sont créés par deux processus atomiques différents:

• Bremsstrahlung. Le bremsstrahlung est un rayonnement électromagnétique produit par l’accélération ou la décélération d’un électron lorsqu’il est dévié par de puissants champs électromagnétiques de noyaux cibles à Z élevé (nombre de protons). Le nom bremsstrahlung vient de l’allemand. La traduction littérale est « rayonnement de freinage ». D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit émettre de l’énergie. Le bremsstrahlung est l’une des interactions possibles des particules légères chargées avec la matière (en particulier avec des numéros atomiques élevés). Ces rayons X ont un spectre continu. L’intensité des rayons X augmente linéairement avec la fréquence décroissante, à partir de zéro à l’énergie des électrons incidents, la tension sur le tube à rayons X. Changer le matériau à partir duquel la cible dans le tube est faite n’a aucun effet sur le spectre de ce rayonnement continu. Si nous devions passer d’une cible de molybdène à une cible de cuivre, par exemple, toutes les caractéristiques du spectre des rayons X changeraient, à l’exception de la longueur d’onde de coupure.
• Émission de rayons X caractéristique. Si l’électron a suffisamment d’énergie, il peut faire sortir un électron orbital de la couche électronique interne d’un atome de métal. Étant donné que le processus laisse un vide dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome descendent en cascade pour remplir les niveaux atomiques inférieurs, et un ou plusieurs rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité pointus apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde caractéristiques du matériau à partir duquel la cible d’anode est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr.

Voir également:

Rayons X [ /lgc_column]

Les rayons X, également appelés rayonnement X, désignent un rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) de hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc de très haute fréquence. La fréquence de rayonnement est le paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies allant des ondes radio à faible énergie et du rayonnement infrarouge, en passant par la lumière visible, aux rayons X et rayons gamma à haute énergie.

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3×10¹⁶ Hz à 3×10¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma.

Radiographie – Production

Étant donné que les rayons X sont des photons de haute énergie, qui ont une nature électromagnétique, ils peuvent être produits chaque fois que des particules chargées (électrons ou ions) d’une énergie suffisante frappent un matériau. C’est similaire à l’ effet photoélectrique, où les photons peuvent être annihilés lorsqu’ils frappent la plaque métallique, chacun cédant son thermodynamics/what-is-energy-physics/what-is-kinetic-energy/ »>énergie cinétique à un électron.

Les rayons X peuvent être générés par un tube à rayons X, un tube à vide qui utilise une haute tension pour accélérer les électrons libérés par une cathode chaude à une vitesse élevée. La cathode doit être chauffée pour émettre des électrons. Des électrons, accélérés par des différences de potentiel de dizaines de milliers de volts, sont dirigés vers une cible métallique (généralement en tungstène ou un autre métal lourd) dans un tube à vide. Plus la tension entre les électrodes est élevée, plus les électrons atteindront une énergie élevée. En frappant la cible, les électrons accélérés sont brusquement arrêtés et les rayons X et de la chaleur sont générées. La majeure partie de l’énergie est transformée en chaleur dans l’anode (qui doit être refroidie). Seulement 1 % de l’énergie cinétique des électrons est convertie en rayons X. Les rayons X sont généralement générés perpendiculairement au trajet du faisceau d’électrons.

Une source spécialisée de rayons X qui devient largement utilisée dans la recherche est l’accélérateur de particules, qui génère un rayonnement connu sous le nom de rayonnement synchrotron. Lorsque des particules chargées ultra-relativistes se déplacent à travers des champs magnétiques, elles sont obligées de se déplacer le long d’une trajectoire courbe. Étant donné que leur direction de mouvement change continuellement, ils accélèrent également et émettent ainsi un bremsstrahlung, dans ce cas, on parle de rayonnement synchrotron.

Les rayons X peuvent également être produits par des protons rapides ou d’autres ions positifs. L’émission de rayons X induite par les protons ou l’émission de rayons X induite par les particules est largement utilisée comme procédure analytique.

Rayons X mous et durs

Les rayons X sont généralement décrits par leur énergie maximale, qui est déterminée par la tension entre les électrodes. Les rayons X avec des énergies photoniques élevées (supérieures à 5-10 keV) sont appelés rayons X durs, tandis que ceux avec une énergie plus faible (et une longueur d’onde plus longue) sont appelés rayons X mous. En raison de leur capacité de pénétration, les rayons X durs sont largement utilisés pour imager l’intérieur d’objets visuellement opaques. Les applications les plus souvent rencontrées sont en radiographie médicale. Étant donné que les longueurs d’onde des rayons X durs sont similaires à la taille des atomes, elles sont également utiles pour déterminer les structures cristallines par cristallographie aux rayons X. En revanche, les rayons X mous sont facilement absorbés dans l’air. La longueur d’atténuation des rayons X de 600 eV dans l’eau est inférieure à 1 micromètre.

Spectre de rayons X – Caractéristique et continu

Pour les rayons X générés par le tube à rayons X, la part d’énergie qui est transformée en rayonnement varie de zéro jusqu’à l’énergie maximale de l’électron lorsqu’il frappe l’anode. L’énergie maximale du photon X produit est limitée par l’énergie de l’électron incident, qui est égale à la tension sur le tube multipliée par la charge de l’électron, de sorte qu’un tube de 100 kV ne peut pas créer de rayons X avec une énergie supérieure à 100 keV. Lorsque les électrons atteignent la cible, les rayons X sont créés par deux processus atomiques différents:

• Bremsstrahlung . Le bremsstrahlung est un rayonnement électromagnétique produit par l’accélération ou la décélération d’un électron lorsqu’il est dévié par de puissants champs électromagnétiques de noyaux cibles à Z élevé (nombre de protons). Le nom bremsstrahlung vient de l’allemand. La traduction littérale est « rayonnement de freinage ». D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit émettre de l’énergie. Le bremsstrahlung est l’une des interactions possibles des particules légères chargées avec la matière (en particulier avec des numéros atomiques élevés). Ces rayons X ont un spectre continu. L’intensité des rayons X augmente linéairement avec la fréquence décroissante, à partir de zéro à l’énergie des électrons incidents, la tension sur le tube à rayons X. Changer le matériau à partir duquel la cible dans le tube est faite n’a aucun effet sur le spectre de ce rayonnement continu. Si nous devions passer d’une cible de molybdène à une cible de cuivre, par exemple, toutes les caractéristiques du spectre des rayons X changeraient, à l’exception de la longueur d’onde de coupure.
• Émission de rayons X caractéristique. Si l’électron a suffisamment d’énergie, il peut faire sortir un électron orbital de la couche électronique interne d’un atome de métal. Étant donné que le processus laisse un vide dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome descendent en cascade pour remplir les niveaux atomiques inférieurs, et un ou plusieurs rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité pointus apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde caractéristiques du matériau à partir duquel la cible d’anode est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr.

Voir également:

Rayons X [ /lgc_column]

Les rayons X, également appelés rayonnement X, désignent un rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) de hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc de très haute fréquence. La fréquence de rayonnement est le paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies allant des ondes radio à faible énergie et du rayonnement infrarouge, en passant par la lumière visible, aux rayons X et rayons gamma à haute énergie.

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3×10¹⁶ Hz à 3×10¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma.

Étant donné que les rayons X (en particulier les rayons X durs) sont en substance des photons de haute énergie, ils sont très pénétrants dans la matière et sont donc biologiquement dangereux. Les rayons X peuvent parcourir des milliers de pieds dans l’air et peuvent facilement traverser le corps humain.

Caractéristiques des rayons X – Propriétés

Les principales caractéristiques des rayons X sont résumées dans les quelques points suivants :

• Les rayons X sont des photons de haute énergie (environ 100 à 1 000 fois plus d’énergie que les photons visibles), les mêmes photons que les photons formant la gamme visible du spectre électromagnétique – la lumière.
• Les rayons X sont généralement décrits par leur énergie maximale, qui est déterminée par la tension entre les électrodes. Elle peut aller d’environ 20 kV jusqu’à 300 kV. Le rayonnement à basse tension est dit «doux» – et le rayonnement à haute tension est dit «dur».
• Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser directement les atomes (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.
• Les rayons X ionisent la matière par ionisation indirecte.
• Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois principaux mécanismes d’interaction avec la matière.
  • Effet photoélectrique
  • Diffusion Compton
  • Diffusion Rayleigh
• Les rayons X voyagent à la vitesse de la lumière et peuvent parcourir des centaines de mètres dans l’air avant de dépenser leur énergie.
• Comme les rayons X durs sont très pénétrants dans la matière, celle-ci doit être protégée par des matériaux très denses, comme le plomb ou l’uranium.
• La distinction entre les rayons X et les rayons gamma n’est pas si simple et a changé au cours des dernières décennies. Selon la définition actuellement en vigueur, les rayons X sont émis par des électrons extérieurs au noyau, tandis que les rayons gamma sont émis par le noyau .
• Pour les rayons X générés par le tube à rayons X, il existe deux types différents de spectres de rayons X:
  • Rayonnement de Brems
  • Rayons X caractéristiques
• Des rayons X caractéristiques accompagnent fréquemment certains types de désintégrations nucléaires, telles que la conversion interne et la capture d’électrons.

Voir également:

Rayons X [ /lgc_column]

La datation radiométrique (ou datation radioactive) est toute technique utilisée pour dater des matériaux organiques et inorganiques issus d’un processus impliquant une désintégration radioactive. La méthode compare l’abondance d’un isotope radioactif naturel dans le matériau à l’abondance de ses produits de désintégration, qui se forment à un taux de désintégration constant connu.

La loi de désintégration radioactive stipule que la probabilité par unité de temps qu’un noyau se désintègre est une constante, indépendante du temps. Cette constante est appelée constante de décroissance et est notée λ, «lambda». Cette probabilité constante peut varier considérablement entre les différents types de noyaux, ce qui conduit aux nombreux taux de désintégration observés. La désintégration radioactive d’un certain nombre d’atomes (masse) est exponentielle dans le temps.

Loi de décroissance radioactive: N = N ₀ .e ^-λt

L’une des plus anciennes méthodes de datation radiométrique est la datation uranium-plomb. L’âge de la croûte terrestre peut être estimé à partir du rapport entre les quantités d’uranium 238 et de plomb 206 trouvées dans les spécimens géologiques. La longue demi-vie de l’isotope uranium-238 (4,51 × 10⁹ ans) le rend bien adapté pour une utilisation dans l’estimation de l’âge des premières roches ignées et pour d’autres types de datation radiométrique, y compris la datation uranium-thorium et l’uranium- datation à l’uranium.

La datation uranium-plomb est basée sur la mesure du premier et du dernier membre de la série de l’uranium , qui est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium-238 d’origine naturelle . Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série de l’uranium, le noyau stable est le plomb-206. L’hypothèse retenue est que tous les noyaux de plomb-206 trouvés dans le spécimen aujourd’hui étaient à l’origine des noyaux d’uranium-238. Cela signifie qu’à la formation de la croûte, le spécimen ne contenait aucun noyau de plomb-206. Si aucun autre isotope du plomb n’est trouvé dans l’échantillon, il s’agit d’une hypothèse raisonnable. Dans ces conditions, l’âge de l’échantillon peut être calculé en supposant une décroissance exponentielle de l’uranium-238. C’est-à-dire:

La méthode de datation uranium-plomb est généralement effectuée sur le minéral zircon. Les zircons de Jack Hills en Australie-Occidentale ont produit des âges U-Pb allant jusqu’à 4,404 milliards d’années, interprétés comme l’âge de la cristallisation, ce qui en fait les minéraux les plus anciens à ce jour sur Terre.

Âge de la Terre – Datation uranium-plomb

L’ âge de la Terre est d’environ 4,54 milliards d’années. Cette datation est basée sur des preuves de la datation radiométrique des matériaux météoritiques et est cohérente avec les âges radiométriques des plus anciens échantillons terrestres et lunaires connus.

Voir également:

Datation radiométrique

L’ âge de la Terre est d’environ 4,54 milliards d’années. Cette datation est basée sur des preuves de la datation radiométrique des matériaux météoritiques et est cohérente avec les âges radiométriques des plus anciens échantillons terrestres et lunaires connus.

L’une des plus anciennes méthodes de datation radiométrique est la datation uranium-plomb. L’âge de la croûte terrestre peut être estimé à partir du rapport entre les quantités d’uranium 238 et de plomb 206 trouvées dans les spécimens géologiques. La longue demi-vie de l’isotope uranium-238 (4,51 × 10⁹ ans) le rend bien adapté pour une utilisation dans l’estimation de l’âge des premières roches ignées et pour d’autres types de datation radiométrique, y compris la datation uranium-thorium et l’uranium- datation à l’uranium.

La datation uranium-plomb est basée sur la mesure du premier et du dernier membre de la série de l’uranium, qui est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium-238 d’origine naturelle. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série de l’uranium, le noyau stable est le plomb-206. L’hypothèse retenue est que tous les noyaux de plomb-206 trouvés dans le spécimen aujourd’hui étaient à l’origine des noyaux d’uranium-238. Cela signifie qu’à la formation de la croûte, le spécimen ne contenait aucun noyau de plomb-206. Si aucun autre isotope du plomb n’est trouvé dans l’échantillon, il s’agit d’une hypothèse raisonnable. Dans ces conditions, l’âge de l’échantillon peut être calculé en supposant une décroissance exponentielle de l’uranium-238. C’est-à-dire:

La méthode de datation uranium-plomb est généralement effectuée sur le minéral zircon. Les zircons de Jack Hills en Australie-Occidentale ont produit des âges U-Pb allant jusqu’à 4,404 milliards d’années, interprétés comme l’âge de la cristallisation, ce qui en fait les minéraux les plus anciens à ce jour sur Terre.

Voir également:

Datation radiométrique

La datation au carbone 14, également connue sous le nom de datation au radiocarbone, est une méthode permettant de déterminer l’âge d’un objet contenant une matière organique en utilisant les propriétés du radionucléide carbone 14. Le carbone 14 radioactif a une demi-vie de 5730 ans et subit une désintégration β− , où le neutron est converti en un proton, un électron et un électron antineutrino:

Malgré cette courte demi-vie par rapport à l’âge de la terre, le carbone 14 est un isotope naturel. Sa présence peut s’expliquer par la simple observation suivante. Notre atmosphère contient de nombreux gaz, dont l’azote-14. De plus, l’atmosphère est constamment bombardée de rayons cosmiques de haute énergie, constitués de protons, de noyaux plus lourds ou de rayons gamma. Ces rayons cosmiques interagissent avec les noyaux de l’atmosphère et produisent également des neutrons de haute énergie. Ces neutrons produits lors de ces collisions peuvent être absorbés par l’azote 14 pour produire un isotope du carbone 14:

Le carbone 14 peut également être produit dans l’atmosphère par d’autres réactions neutroniques, dont notamment le 13C(n,γ)14C et le 17O(n,α)14C. En conséquence, le carbone 14 se forme en continu dans la haute atmosphère par l’interaction des rayons cosmiques avec l’azote atmosphérique. En moyenne, un seul atome de carbone sur 1,3 x 10¹² dans l’atmosphère est un atome de carbone 14 radioactif.

Le carbone 14 résultant se combine avec l’oxygène atmosphérique pour former du dioxyde de carbone radioactif, qui est incorporé dans les plantes par photosynthèse. Par conséquent, tous les systèmes biologiques comme les plantes, les animaux et les humains contiennent un certain niveau de carbone 14 radioactif. Tant que le système biologique est vivant, le niveau est constant en raison de l’apport constant de tous les isotopes du carbone. Lorsque le système biologique meurt, il cesse d’échanger du carbone avec son environnement et, à partir de ce moment, la quantité de carbone 14 qu’il contient commence à diminuer à mesure que le carbone 14 subit une désintégration radioactive. En revanche, la quantité de carbone 12 stable reste inchangée. En conséquence, la concentration relative de ces deux isotopes dans tout organisme change après sa mort. La méthode permet d’établir des datations jusqu’à environ 20 000 ans avec une précision d’environ ± 100 ans.

La technique de datation au carbone a été suggérée initialement par Willard Libby et ses collègues en 1949. En 1960, Willard Libby a reçu le prix Nobel de chimie pour ce travail.

Voir également:

Datation radiométrique

La datation radiométrique (ou datation radioactive) est toute technique utilisée pour dater des matériaux organiques et inorganiques issus d’un processus impliquant une désintégration radioactive. La méthode compare l’abondance d’un isotope radioactif naturel dans le matériau à l’abondance de ses produits de désintégration, qui se forment à un taux de désintégration constant connu.

Toutes ces méthodes sont basées sur le fait que la vitesse à laquelle les noyaux radioactifs se désintègrent n’est pas affectée par leur environnement, elle peut être utilisée pour estimer l’âge de tout échantillon de matériau ou objet contenant un isotope radioactif. Les calculs de la désintégration des noyaux radioactifs sont relativement simples, du fait qu’il n’y a qu’une seule loi fondamentale régissant tout processus de désintégration.

La loi de désintégration radioactive stipule que la probabilité par unité de temps qu’un noyau se désintègre est une constante, indépendante du temps. Cette constante est appelée constante de décroissance et est notée λ, «lambda». Cette probabilité constante peut varier considérablement entre les différents types de noyaux, ce qui conduit aux nombreux taux de désintégration observés. La désintégration radioactive d’un certain nombre d’atomes (masse) est exponentielle dans le temps.

Loi de décroissance radioactive: N = N ₀ .e ^-λt

Parmi les techniques les plus connues, citons:

• datation au carbone 14,
• datation potassium-argon,
• datation uranium-plomb.

Les méthodes de datation radiométrique sont utilisées en géochronologie pour établir l’échelle des temps géologiques et peuvent également être utilisées pour dater les matériaux archéologiques, y compris les artefacts anciens.

Datation au carbone 14 – Datation au radiocarbone

La datation au carbone 14, également connue sous le nom de datation au radiocarbone, est une méthode permettant de déterminer l’âge d’un objet contenant une matière organique en utilisant les propriétés du radionucléide carbone 14. Le carbone 14 radioactif a une demi-vie de 5730 ans et subit une désintégration β− , où le neutron est converti en un proton, un électron et un électron antineutrino:

Malgré cette courte demi-vie par rapport à l’âge de la terre, le carbone 14 est un isotope naturel. Sa présence peut s’expliquer par la simple observation suivante. Notre atmosphère contient de nombreux gaz, dont l’azote-14. De plus, l’atmosphère est constamment bombardée de rayons cosmiques de haute énergie, constitués de protons, de noyaux plus lourds ou de rayons gamma. Ces rayons cosmiques interagissent avec les noyaux de l’atmosphère et produisent également des neutrons de haute énergie. Ces neutrons produits lors de ces collisions peuvent être absorbés par l’azote 14 pour produire un isotope du carbone 14:

Le carbone 14 peut également être produit dans l’atmosphère par d’autres réactions neutroniques, dont notamment le 13C(n,γ)14C et le 17O(n,α)14C. En conséquence, le carbone 14 se forme en continu dans la haute atmosphère par l’interaction des rayons cosmiques avec l’azote atmosphérique. En moyenne, un seul atome de carbone sur 1,3 x 10 ¹² dans l’atmosphère est un atome de carbone 14 radioactif.

Le carbone 14 résultant se combine avec l’oxygène atmosphérique pour former du dioxyde de carbone radioactif, qui est incorporé dans les plantes par photosynthèse. Par conséquent, tous les systèmes biologiques comme les plantes, les animaux et les humains contiennent un certain niveau de carbone 14 radioactif. Tant que le système biologique est vivant, le niveau est constant en raison de l’apport constant de tous les isotopes du carbone. Lorsque le système biologique meurt, il cesse d’échanger du carbone avec son environnement et, à partir de ce moment, la quantité de carbone 14 qu’il contient commence à diminuer à mesure que le carbone 14 subit une désintégration radioactive. En revanche, la quantité de carbone 12 stable reste inchangée. En conséquence, la concentration relative de ces deux isotopes dans tout organisme change après sa mort. La méthode permet d’établir des datations jusqu’à environ 20 000 ans avec une précision d’environ ± 100 ans.

La technique de datation au carbone a été suggérée initialement par Willard Libby et ses collègues en 1949. En 1960, Willard Libby a reçu le prix Nobel de chimie pour ce travail.

Âge de la Terre – Datation uranium-plomb

L’ âge de la Terre est d’environ 4,54 milliards d’années. Cette datation est basée sur des preuves de la datation radiométrique des matériaux météoritiques et est cohérente avec les âges radiométriques des plus anciens échantillons terrestres et lunaires connus.

L’une des plus anciennes méthodes de datation radiométrique est la datation uranium-plomb. L’âge de la croûte terrestre peut être estimé à partir du rapport entre les quantités d’uranium 238 et de plomb 206 trouvées dans les spécimens géologiques. La longue demi-vie de l’isotope uranium-238 (4,51 × 10⁹ ans) le rend bien adapté pour une utilisation dans l’estimation de l’âge des premières roches ignées et pour d’autres types de datation radiométrique, y compris la datation uranium-thorium et l’uranium- datation à l’uranium.

La datation uranium-plomb est basée sur la mesure du premier et du dernier membre de la série de l’uranium, qui est l’une des trois séries radioactives classiques commençant par l’ uranium-238 d’origine naturelle. Cette chaîne de désintégration radioactive est constituée de noyaux atomiques lourds instables qui se désintègrent par une séquence de désintégrations alpha et bêta jusqu’à l’obtention d’un noyau stable. Dans le cas de la série de l’uranium, le noyau stable est le plomb-206. L’hypothèse retenue est que tous les noyaux de plomb-206 trouvés dans le spécimen aujourd’hui étaient à l’origine des noyaux d’uranium-238. Cela signifie qu’à la formation de la croûte, le spécimen ne contenait aucun noyau de plomb-206. Si aucun autre isotope du plomb n’est trouvé dans l’échantillon, il s’agit d’une hypothèse raisonnable. Dans ces conditions, l’âge de l’échantillon peut être calculé en supposant une décroissance exponentielle de l’uranium-238. C’est-à-dire:

La méthode de datation uranium-plomb est généralement effectuée sur le minéral zircon. Les zircons de Jack Hills en Australie-Occidentale ont produit des âges U-Pb allant jusqu’à 4,404 milliards d’années, interprétés comme l’âge de la cristallisation, ce qui en fait les minéraux les plus anciens à ce jour sur Terre.

Voir également:

Désintégration radioactive

Loi de désintégration – Équation – Formule

La loi de désintégration radioactive stipule que la probabilité par unité de temps qu’un noyau se désintègre est une constante, indépendante du temps. Cette constante est appelée constante de décroissance et est notée λ, « lambda ». Cette probabilité constante peut varier considérablement entre les différents types de noyaux, ce qui conduit aux nombreux taux de désintégration observés. La désintégration radioactive d’un certain nombre d’atomes (masse) est exponentielle dans le temps.

Loi de décroissance radioactive: N = Ne ^-λt

Le taux de désintégration nucléaire est également mesuré en termes de demi-vies. La demi-vie est le temps qu’il faut à un isotope pour perdre la moitié de sa radioactivité. Si un radio-isotope a une demi-vie de 14 jours, la moitié de ses atomes se sera désintégrée en 14 jours. Dans 14 jours de plus, la moitié de cette moitié restante se décomposera, et ainsi de suite. Les demi-vies vont de millionièmes de seconde pour les produits de fission hautement radioactifs à des milliards d’années pour les matériaux à longue durée de vie (comme l’uranium naturel). Remarquerez que les demi-vies courtes vont de pair avec de grandes constantes de désintégration. Les matières radioactives à demi-vie courte sont beaucoup plus radioactives (au moment de la production) mais perdent évidemment rapidement leur radioactivité. Quelle que soit la durée de la demi-vie, après sept demi-vies, il reste moins de 1 % de l’activité initiale.

La loi de désintégration radioactive peut également être dérivée pour les calculs d’activité ou les calculs de masse de matières radioactives:

(Nombre de noyaux) N = Ne^-λt     (Activité) A = Ae^-λt      (Masse) m = me^-λt

, où N (nombre de particules) est le nombre total de particules dans l’échantillon, A (activité totale) est le nombre de désintégrations par unité de temps d’un échantillon radioactif, m est la masse de matière radioactive restante.

Constante de décroissance et demi-vie – Équation – Formule

Dans les calculs de radioactivité, l’un des deux paramètres ( constante de décroissance ou demi-vie), qui caractérisent le taux de décroissance, doit être connu. Il existe une relation entre la demi-vie (t_1/2 ) et la constante de décroissance λ. La relation peut être dérivée de la loi de décroissance en fixant N = ½ N_o. Cela donne:

où ln 2 (le logarithme naturel de 2) est égal à 0,693. Si la constante de désintégration (λ) est donnée, il est facile de calculer la demi-vie, et vice-versa.

Équations de Bateman

En physique, les équations de Bateman sont un ensemble d’équations différentielles du premier ordre, qui décrivent l’évolution temporelle des concentrations de nucléides subissant une chaîne de désintégration sérielle ou linéaire. Le modèle a été formulé par Ernest Rutherford en 1905 et la solution analytique pour le cas de la désintégration radioactive dans une chaîne linéaire a été fournie par Harry Bateman en 1910. Ce modèle peut également être utilisé dans les codes d’épuisement nucléaire pour résoudre les problèmes de transmutation et de désintégration nucléaires.

Par exemple, ORIGEN est un système de code informatique pour calculer l’accumulation, la désintégration et le traitement des matières radioactives. ORIGEN utilise une méthode exponentielle matricielle pour résoudre un grand système d’équations différentielles ordinaires couplées, linéaires, du premier ordre (similaire aux équations de Bateman) avec des coefficients constants.

Les équations de Bateman pour le cas de désintégration radioactive de la série n – nucléide dans une chaîne linéaire décrivant les concentrations de nucléides sont les suivantes:

Exemple – Loi de désintégration radioactive

Un échantillon de matériau contient 1 microgramme d’iode-131. Notez que l’iode-131 joue un rôle majeur en tant qu’isotope radioactif présent dans les produits de fission nucléaire , et qu’il est un contributeur majeur aux risques pour la santé lorsqu’il est rejeté dans l’atmosphère lors d’un accident. L’iode-131 a une demi-vie de 8,02 jours.

Calculer:

1. Le nombre d’atomes d’iode 131 initialement présents.
2. L’activité de l’iode-131 en curies.
3. Le nombre d’atomes d’iode-131 qui resteront dans 50 jours.
4. Le temps qu’il faudra pour que l’activité atteigne 0,1 mCi.

La solution:

1. Le nombre d’atomes d’iode-131 peut être déterminé en utilisant la masse isotopique comme ci-dessous.

N _I-131 = m _I-131 . N _A / M _I-131

N _I-131 = (1 μg) x (6,02×10 ²³ noyaux/mol) / (130,91 g/mol)

N _I-131 = 4,6 x 10 ¹⁵ noyaux

2. L’activité de l’iode-131 en curies peut être déterminée à l’aide de sa constante de désintégration:

L’iode-131 a une demi-vie de 8,02 jours (692928 s) et sa constante de désintégration est donc:

En utilisant cette valeur pour la constante de décroissance, nous pouvons déterminer l’activité de l’échantillon:

3) et 4) Le nombre d’atomes d’iode 131 qui resteront dans 50 jours (N _50d ) et le temps qu’il faudra pour que l’activité atteigne 0,1 mCi peuvent être calculés à l’aide de la loi de décroissance:

Comme on peut le voir, après 50 jours, le nombre d’atomes d’iode 131 et donc l’activité seront environ 75 fois plus faibles. Après 82 jours, l’activité sera environ 1200 fois plus faible. Par conséquent, le temps de dix demi-vies (facteur 2¹⁰ = 1024) est largement utilisé pour définir l’activité résiduelle.

Voir également:

Équilibre radioactif