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 (Eb).
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 :
Source: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
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/me 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.
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