Interaction des photons et des électrons avec la
matière

Classification des rayonnements 

 Suivant leur nature et selon leurs effets sur la matière. Les rayonnements peuvent se classer on deux catégories, des rayonnements non ionisant(les ondes radios, les ultra-violet, le visible…etc.), et d’autres ionisants (leurs énergie suffit pour ioniser des atomes) soit d’une forme direct (particules charges lourdes ou légère) comme les α, protons et les électrons, soit d’une forme indirect (particules non charger) comme les photons et les neutrons. La classification peut se schématisée comme suit .

Les rayonnements directement ionisants 

 Sont des particules chargées qui délivrent leur énergie directement à la matière, par le jeu des forces coulombiennes s’exerçant avec les atomes du milieu. Les transferts d’énergie dépendent des masses des particules en mouvement et il y a lieu de distinguer les particules chargées lourdes (proton, deuton, alpha, ions lourds) et légères comme des électrons 

Les rayonnements indirectement ionisants 

Les rayonnements indirectement ionisants sont des rayonnements électromagnétiques. En effet lors de leurs interactions, ils mettent en mouvement des électrons, lesquels vont ioniser la matière selon les phénomènes d’ionisation et d’excitation [2]. II. La section efficace d’interaction : La section efficace souvent notéσ, est une grandeur physique correspondant à la probabilité d’interaction d’une particule pour un évènement donné. L’unité couramment employée est le barn [3] : 1barn=10-28m² Chaque modes d’interaction, est associée une section efficace, qui dépend de l’énergie des photons incidents et du numéro atomique Z du matériau traversé.  La section efficace différentielle : La distribution angulaire des particules diffusées peut apporter des informations sur l’interaction qui a eu lieu entre la particule projectile et la particule cible (par exemple sur la forme de potentiel d’interaction). Lorsqu’on s’intéresse aux particules diffusée dans une direction définie par (Ө,ɸ) dans un angle solide élémentaire dΩ (coordonnées sphérique), on définit la section efficace différentielle dσ(Ө,ɸ)/ dΩ. 

Interaction photon avec la matière 

 Du à leur absence de masse, les rayonnements électromagnétiques sont très pénétrants dans la matière. Cela veut donc dire que leurs interactions avec la matière ont un caractère rare ou aléatoire par rapport à celles des particules chargées que l’on qualifié souvent d’interactions obligatoires. De ce fait, leur parcours sera très important [2]. III.1 L’interaction élémentaire des photons avec la matière : Le terme « photon » s’applique aux rayonnements électromagnétiques émis par exemple dans lestransitions nucléaires « Rayons γ » ou dans les transitions atomiques « Rayons X … ». Lors de la traversée d’un milieu matériel quelconque, tout photon a une certaine probabilité d’interagiravec ce milieu, Cette interactionpeut être classée selon : – la nature d’interaction : photon/électron ou photon/noyau. – le type de l’événement produit : l’absorption, la diffusion ou la production des paires [1]. a. La diffusion Rayleigh : Cette diffusion est aussi appelée diffusion cohérente. Le photon incident interagit avec tous les électrons de l’atome (a) qui se mettent à osciller en phase (b) avant d’émettre un photon de même énergie que le photon incident mais dans une direction quelconque (c). Ce phénomène est équivalent à un simple changement de direction du photon incident.

L’effet photoélectrique 

 L’effet photoélectrique est découvert par H. Hertz en 1887 et a été analysépar A. Einstein en 1905 (Prix Nobel). Lors de ce processus, un photon incident d’énergie E interagit avec un électron d’un atome cible. Dans cette interaction le photoncède à l’électron une énergie supérieure à son énergie de liaison. Celle-ci est absorbée totalement en donnant lieu à un cation et un électron, qui sera éjecté de l’atome avec une énergie cinétique Ec égale à la différence entre l’énergie du photon incident Eɤ et l’énergie de liaison El [4]. Ec = Eɤ – El = h − El (I.2) Ce processus concerne les électrons atomiques principalement les couches électroniques profondesK et L. 80% de l’effet photoélectrique se produit avec des électrons de la couche K. Ces dernières sont émises dans toutes les directions de l’espace, mais avec une direction préférentielle qui dépend de l’énergie E du photon incident. Pour les photons de basses énergies, la distribution est pratiquement symétrique par rapport à Ө = 90°, ou Ө est l’angle entre la direction du photon et celle de l’électron émis. Lorsque E croit, Chapitre I : Interaction d Ө diminue. Ainsi lorsque l’én même direction que le photon La section efficace d’interac Fig Lorsque, l’électron est exp cortège électronique, le sit électrons des couches ext d’énergie qui peut être : • soit émise sous la fo l’énergie du rayonne • soit émise sous la transition est élevée même et provoquer Auger [4]. ction des photons et des électrons avec la ma ue l’énergie du photon est élevée, les électrons son photon incident.