B7 · Rayonnements ionisants
Production et nature des rayons X et gamma
Distinguer l'origine nucléaire des rayons gamma de l'origine électronique des rayons X. Décrire la production des rayons X par freinage et par transition électronique et l'allure du spectre obtenu.
Biophysique7 min de lecture17 QCM corrigés
Une même nature physique, deux origines distinctes
Les rayons X et les rayons gamma sont tous deux des rayonnements électromagnétiques ionisants. Leur énergie peut être suffisante pour arracher un électron à un atome ou à une molécule, ce qui produit une ionisation. Dans le vide, ils se propagent à la célérité de la lumière.
Plus l'énergie d'un photon est élevée, plus sa fréquence est grande et plus sa longueur d'onde est courte. Cette relation est commune aux photons X et gamma et ne permet donc pas, à elle seule, de les distinguer.
La différence repose sur leur origine physique :
- le rayon X provient d'un phénomène mettant en jeu les électrons, soit par leur freinage, soit par une transition entre couches électroniques atomiques ;
- le rayon gamma provient d'une transition énergétique du noyau atomique.
Production des rayons X dans un tube
Constitution et fonctionnement général
Un tube à rayons X est une enceinte sous vide dans laquelle des électrons sont produits, accélérés puis brutalement ralentis au contact d'une cible.
Il comprend deux électrodes :
- la cathode, négative, porte un filament chauffé qui libère des électrons par émission thermoélectronique ;
- l'anode, positive, contient une cible solide sur laquelle arrivent les électrons.
Une différence de potentiel électrique est appliquée entre la cathode et l'anode. Elle accélère les électrons vers la cible. Dans le modèle idéal, un électron de charge élémentaire de valeur absolue acquiert une énergie cinétique maximale égale à .
Le vide limite les collisions avec les molécules du gaz : les électrons peuvent ainsi atteindre la cible avec l'énergie conférée par la tension accélératrice. Lors de leur impact, l'essentiel de leur énergie est transformé en chaleur. Une fraction devient un rayonnement X selon deux mécanismes distincts.
Rayonnement X de freinage
L'électron incident, chargé négativement, subit l'attraction électrostatique du noyau positif. Sa trajectoire est incurvée et son énergie cinétique diminue. L'énergie perdue est émise sous la forme d'un photon X.
La perte d'énergie varie selon la trajectoire de l'électron et la proximité de son passage par rapport au noyau. Un électron peut céder une faible fraction de son énergie ou, dans un événement limite, presque toute son énergie en une seule interaction. Les photons produits possèdent donc une gamme continue d'énergies.
L'énergie maximale d'un photon de freinage est obtenue lorsque toute l'énergie cinétique de l'électron incident est transférée à un seul photon. Elle vaut donc . Cette limite impose une longueur d'onde minimale.
Rayonnement X caractéristique
Un électron incident suffisamment énergétique peut arracher un électron appartenant à une couche interne d'un atome de la cible. L'atome devient alors ionisé et présente une lacune électronique.
Cette configuration est instable. Un électron d'une couche plus externe descend vers la couche vacante. La différence entre les énergies de liaison des deux niveaux est libérée sous la forme d'un photon X.
Les énergies des couches électroniques dépendent de l'élément chimique constituant la cible. Les photons émis ont donc des énergies propres à cet élément, d'où le qualificatif caractéristique. Les transitions vers la couche K produisent notamment des raies appartenant à la série K. Une transition depuis la couche L vers la couche K correspond à une raie , tandis qu'une transition depuis la couche M vers la couche K correspond à une raie .
Une raie caractéristique n'apparaît que si l'électron incident possède une énergie suffisante pour créer la lacune initiale. Il existe donc une énergie seuil liée à l'énergie de liaison de la couche ionisée.
Allure du spectre des rayons X
Le spectre d'un tube à rayons X résulte de la superposition de deux composantes :
- un fond continu, produit par le freinage des électrons ;
- des raies étroites, produites par les transitions électroniques caractéristiques de la cible.
Le fond continu s'étend des faibles énergies jusqu'à l'énergie limite . Les raies caractéristiques se dressent au-dessus de ce fond à des positions déterminées par la nature de la cible.
Les paramètres du tube modifient le spectre de manière différente :
- une augmentation de la tension augmente l'énergie maximale et l'énergie moyenne des photons ;
- une augmentation du courant du tube augmente le nombre d'électrons incidents, donc la quantité de photons produits, sans modifier l'énergie limite ;
- la nature de la cible détermine la position des raies caractéristiques et influence le rendement du freinage ;
- la filtration absorbe préférentiellement les photons de faible énergie, ce qui augmente l'énergie moyenne du faisceau sans changer sa limite maximale.
Production des rayons gamma
Un noyau peut se trouver dans un état excité, c'est-à-dire dans un niveau d'énergie supérieur à son état fondamental. Lorsqu'il revient vers un niveau nucléaire plus bas, il peut émettre l'excès d'énergie sous la forme d'un photon gamma.
Les niveaux nucléaires étant quantifiés, les photons gamma possèdent des énergies discrètes correspondant aux différences entre ces niveaux. Un spectre gamma idéal est donc constitué de raies. Les mécanismes qui placent initialement le noyau dans un état excité relèvent des désintégrations nucléaires étudiées dans les fiches voisines.
L'étude de l'absorption et de la diffusion des photons X et gamma dans la matière, notamment par effet photoélectrique, diffusion Compton et matérialisation, appartient à la fiche consacrée aux interactions des photons avec la matière.
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