Fiche de révision : Interactions des rayonnements ionisants

📋 Plan du Cours

1. Fondements des rayonnements ionisants
2. Classification et interactions élémentaires
3. Particules chargées dans la matière
4. Interactions des photons
5. Atténuation des rayonnements électromagnétiques
6. Interactions des neutrons
7. Dose et débit de dose

📖 1. Fondements des rayonnements ionisants

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement électromagnétique : Mode de transport spontané de l’énergie dans l’espace, constitué de photons sans masse transportant une énergie quantifiée.
• Rayonnement ionisant : Rayonnement susceptible d’arracher des électrons à la matière.
• Interaction : Transfert d’énergie qui se produit lorsqu’un rayonnement électromagnétique ou particulaire traverse un milieu.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’énergie d’un photon vérifie $E=h\nu$, tandis que l’énergie au repos d’une particule massive vérifie $E=mc^2$.

💡 Astuce mémo

Particule massive contre photon sans masse

📖 2. Classification et interactions élémentaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Pouvoir d’arrêt : Perte d’énergie subie par un rayonnement dans ce matériau par unité de longueur.

★ À maîtriser

• Les principales catégories sont: rayonnements électromagnétiques, particules non chargées comme les neutrons, particules chargées légères comme les β+ et β−, particules chargées lourdes comme les α et les protons

📌 Une ionisation se produit lorsque l’énergie transférée dépasse l’énergie de liaison, une excitation lorsque l’énergie transférée reste inférieure à cette énergie, et un transfert thermique lorsque l’énergie cédée augmente seulement les vibrations et rotations moléculaires.

📌 Un rayonnement est directement ionisant s’il arrache lui-même des électrons aux atomes, et indirectement ionisant s’il transfère son énergie à des atomes qui deviennent excités puis provoquent des ionisations lors de leur retour à l’état fondamental.

Compléments

• En 1895, William Röntgen a découvert les rayons X et a reçu le prix Nobel de physique en 1901.

💡 Astuce mémo

Énergie cédée < liaison → excitation ; énergie cédée > liaison → ionisation

📖 3. Particules chargées dans la matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Transfert linéique d’énergie : Énergie moyenne transférée par les électrons à la matière cible par unité de longueur de trajectoire parcourue.

★ À maîtriser

• Lors d’une interaction électron-électron, l’électron incident transfère une partie de son énergie cinétique à un électron de l’atome cible, ce qui produit une ionisation ou une excitation.

• Pour une énergie comprise entre 500 keV et 5 MeV, le transfert linéique d’énergie des électrons est approximativement constant et vaut environ 2 MeV.cm−1.

📌 Le parcours est la longueur réelle de la trajectoire d’un électron dans la matière, tandis que la portée est la profondeur maximale atteinte par un faisceau d’électrons.

• Les particules alpha ont une trajectoire très courte et quasi rectiligne, avec un parcours de quelques centimètres dans l’air et de quelques dizaines de micromètres dans les tissus mous.

• Le transfert linéique d’énergie des particules alpha est environ 500 fois supérieur à celui des électrons à parcours égal.

Compléments

• Lors d’une interaction électron-noyau, la trajectoire de l’électron est déviée, une partie de son énergie est cédée au noyau et l’énergie perdue est émise sous forme de rayons X de freinage.

• Pour des électrons et positons d’énergie cinétique supérieure à 1 MeV, la densité linéique d’ionisation est de 8 paires d’ions par micromètre.

• Dans les tissus mous, la portée des électrons bêta est d’environ 1 cm, alors qu’elle est de quelques mètres dans l’air et inférieure ou égale à 1 cm dans le plexiglas.

💡 Astuce mémo

Électron diffus et progressif, alpha court et rectiligne

📖 4. Interactions des photons

★ À maîtriser

• Lorsqu’un faisceau de photons pénètre dans la matière, les photons incidents interagissent avec les électrons, transfèrent au moins une partie de leur énergie, puis les électrons secondaires produisent des ionisations tandis que des photons diffusés peuvent être émis.

📌 L’effet photoélectrique transfère toute l’énergie du photon à un électron, l’effet Compton partage cette énergie entre l’électron et un photon diffusé, et la diffusion Thomson-Rayleigh dévie le photon sans échange d’énergie.

📐 Formule — Dans l’effet photoélectrique, l’énergie cinétique du photoélectron vérifie $E_c=E_i-E_l$.

📐 Formule — Dans l’effet Compton, l’énergie incidente vérifie $E_i=E_c+E_{photon\ diffusé}$.

📐 Formule — La production de paires nécessite une énergie photonique supérieure à 1,022 MeV et obéit à $E=1{,}022\ \mathrm{MeV}+E_{e^-}+E_{e^+}$.

Compléments

• L’effet photoélectrique est plus probable lorsque l’énergie de liaison est élevée, notamment pour les électrons des couches K ou L.

💡 Astuce mémo

Photoélectrique : tout ; Compton : partage ; paires : création

📖 5. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Coefficient d’atténuation linéique : Probabilité qu’un photon subisse une interaction lors de la traversée d’un matériau et dépend du milieu et de l’énergie des photons.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’atténuation différentielle d’un faisceau photonique vérifie $dN=-\mu Ndx$ et le nombre de photons émergents vérifie $N(x)=N_0e^{-\mu x}$.

📐 Formule — La couche de demi-atténuation vérifie $\mathrm{CDA}=\frac{\ln 2}{\mu}$ et une épaisseur de n CDA laisse $N_{n\mathrm{CDA}}=\frac{N_0}{2^n}$ photons.

📐 Formule — Le coefficient total d’atténuation vérifie $\mu=\tau+\sigma+\pi$.

Compléments

• Le coefficient photoélectrique τ diminue approximativement comme 1/E3 avec l’énergie, croît approximativement comme Z3 avec le numéro atomique et est proportionnel à la masse volumique.

• Le coefficient Compton σ décroît approximativement comme E−1/3 et est proportionnel au nombre d’électrons par unité de volume, lui-même proportionnel à la masse volumique et peu dépendant de Z.

💡 Astuce mémo

Épaisseur croissante → interactions croissantes → photons émergents décroissants

📖 6. Interactions des neutrons

📝 Points essentiels

• Les neutrons interagissent avec les noyaux par absorption, suivie de l’émission d’un rayonnement ou d’une fission, ou par diffusion avec diminution de leur énergie.

📐 Formule — La section efficace totale des neutrons vérifie $\sigma_{tot}=\sigma_{absorption}+\sigma_{diffusion}$.

💡 Astuce mémo

Absorption : capture et émission ; diffusion : perte d’énergie

📖 7. Dose et débit de dose

🔑 Notions clés & Définitions

• Dose absorbée : Quantité d’énergie cédée par unité de masse de matière exposée aux rayonnements.
• Débit de dose absorbée : Dose absorbée par unité de temps.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La dose absorbée vérifie $D=\frac{dE}{dm}$ et son unité SI est le gray, avec $1\ \mathrm{Gy}=1\ \mathrm{J.kg^{-1}}=100\ \mathrm{rad}$.

📐 Formule — Le débit de dose absorbée vérifie $\dot D=\frac{dD}{dt}$ et son unité SI est le Gy.s−1.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des interactions photoniques

Parcours des particules chargées