Rayonnements gamma et interactions avec la matière

Rayonnements gamma

Définition

Le rayonnement γ est un rayonnement électromagnétique de masse et de charge nulle, de haute énergie, de fréquence élevée (donc de très courte longueur d’onde). Il a été découvert par Paul Villard, chimiste français, en 1900.

Origines et caractéristiques

Les rayonnements γ sont produits par des annihilations et par des transitions à partir d’états excités dans un noyau (http8). Ils sont caractérisés par la longueur d’onde 𝜆, la fréquence ν et l’énergie
E exprimée en électronvolt (eV) avec:
ℎ: constante de Planck qui vaut 6,6. 10−34𝐽. 𝑠 (1 eV = 1,6. 10−19𝐽).

Interaction des rayonnements gamma avec la matière

L’interaction des photons avec la matière se fait soit par effet photoélectrique, par effet Compton ou par création de paires (ou matérialisation). Quel que soit le processus initial, l’énergie incidente est transmise totalement ou partiellement à un électron du matériau du détecteur [13].

Effet photoélectrique

C’est la principale interaction pour les photons de basse énergie. Il consiste en l’absorption complète d’un photon par un atome, l’énergie du photon étant transférée à un électron du cortège atomique [14]. Le photoélectron est donc éjecté avec une énergie cinétique égale à: 𝑇𝑒 = 𝐸𝛾 − 𝐸𝑙 (2.2) Où 𝑇𝑒 : énergie cinétique du photoélectron (eV); 𝐸𝛾: énergie du photon incident (eV);𝐸𝑙 : énergie de liaison de l’électron dans l’atome (eV).
La figure 3 suivante représente ce processus d’interaction du photon avec la matière

Effet de création de paires

L’effet de production de paires ou matérialisation consiste en la création d’une paire électronpositron lorsqu’un photon de haute énergie pénètre dans le champ coulombien du noyau (http8). L’énergie seuil de l’interaction est alors égale à la somme des énergies de ces deux particules au repos (2𝑚0. 𝑐 2 ) et vaut 1,022 MeV. Le photon disparait totalement et son énergie est utilisée pour créer la paire.

Atténuation et absorption des photons par la matière

L’importance relative de ces différents types d’interaction se détermine par la valeur des différentes composantes de la section efficace en fonction de l’énergie du rayonnement et du numéro atomique du milieu traversé. Alors, avant de connaitre le phénomène d’atténuation et d’absorption des photons par la matière, il est essentiel de prédire la section efficace d’interaction. Cela n’est autre que la probabilité pour que cette interaction ait lieu.

Section efficace d’interaction

Cette section efficace exprimée en barn, qui équivaut à 10-24 cm², est calculée à l’aide de la mécanique quantique.
L’effet photoélectrique a une section efficace 𝜎𝑝ℎ qui dépend fortement de l’énergie du photon incident et du milieu atomique de la matière absorbante [15].

Atténuation et absorption des photons par la matière

Chaque interaction de photon avec la matière mène à une atténuation ou à une modification du flux initial. Considérons un faisceau de photons mono-énergétiques traversant une épaisseur x de matériau. Le nombre de photons transmis I dépend du nombre total de photons émis I0 par la source comme l’indique la loi d’atténuation suivante:

Familles radioactives naturelles

Quand on parle des familles radioactives naturelles, il s’agit de la famille de l’238U, de la famille de l’235U et celle du 232Th.

Famille de l’238U

L’uranium naturel contient 99,3 % d’ 238U, qui a une demi-vie de 4,5. 109 années. Due à cette abondance, l’238U contribue essentiellement à la radioactivité totale d’un prélèvement de minerai d’uranium [17].

Famille de l’235U

L’uranium naturel contient aux environs de 0,7 % d’235U, qui a une demi-vie de 7. 108années, soit près d’un sixième de celle de l’238U. Bien qu’une masse donnée d’235U soit donc plus radioactive que la même masse d’238U, l’235U ne contribue qu’une petite fraction de la radioactivité totale d’un prélèvement de minerai d’uranium [17].

Famille du 232Th

Le thorium naturel est composé presque entièrement du 232Th. Ce radio-isotope a une demivie de 1,4. 1010 années. Les figures 6, 7 et 8 suivantes représentent la chaîne de désintégration de l’ 238U, de l’235U et du 232Th respectivement