Interaction des rayonnements ionisants avec la matière

Un rayonnement ionisant est un rayonnement dont l’énergie est suffisante pour arracher un ou plusieurs électrons à la matière (atomes, molécules, ions) qu’il rencontre sur son passage. Les rayonnements ionisants sont principalement constitués – soit par des particules chargées (électrons, protons, deutons, …) appelées aussi rayonnements directement ionisants. – soit par des photons (X et γ) ou des particules neutres (neutrons) appelés rayonnements indirectement ionisants. Ces rayonnements ionisants ont en commun la propriété de provoquer des ionisations dans les milieux matériels où ils pénètrent, c’est-à-dire l’éjection d’un ou plusieurs électrons de l’édifice atomique ou moléculaire rencontré [2]. Les ionisations sont à l’origine des effets utilisés pour la détection des rayonnements (compteurs de particules, dosimètres, …). En effet, l’interaction entre un rayonnement et la matière se traduit par un transfert d’énergie. De plus, une interaction est nécessaire pour détecter un rayonnement.

Interaction des particules chargée avec la matière :

Lorsqu’une particule chargée pénètre dans la matière, elle interagit essentiellement avec les électrons périphériques des atomes. Les interactions faisant appel aux forces nucléaires, pouvant conduire à des modifications de la structure du noyau, sont peu probables; il faudrait pour cela que la particule incidente ait une énergie suffisante pour passer au travers du cortège électronique et du champ électrique engendré par le noyau. Bien que l’énergie transmise à un électron périphérique lors de l’interaction soit généralement faible, elle suffit pour placer l’électron sur un niveau d’énergie supérieur: il y a excitation de l’atome, voire ionisation de celui-ci. La particule incidente peut également perdre de l’énergie par émission d’un rayonnement électromagnétique. A chaque interaction, l’énergie de la particule diminue et celle-ci est peu à peu ralentie [3]. Les électrons sont des particules légères porteuses d’une charge électrique élémentaire, négative pour les ≪ négatons ≫ et positive pour les ≪ positons ≫ [2]. Un électron traversant un milieu matériel perd de l’énergie par « Collisions », c’est-à-dire interactions coulombiennes avec les électrons des atomes du milieu traversé, ce qui conduit à Plus rarement, les électrons incidents peuvent interagir avec les noyaux des atomes de la substance traversée. Ils subissent l’influence du champ coulombien du noyau : ils sont alors déviés et cèdent une partie de leur énergie au noyau. Cela se manifeste par un ralentissement ou freinage. L’énergie perdue est émise sous la forme de rayonnements X, dits de ≪freinage ≫. Dans la littérature, on emploie aussi le terme de ≪Bremsstrahlung ≫ (≪rayonnement de freinage ≫, en allemand). Ce phénomène n’est important que dans le cas d’électrons de forte énergie (supérieure à 1MeV) traversant une matière constituée d’atomes lourds (numéro atomique Z élevé) [5].

Interaction des particules chargées lourdes avec la matière

Les particules chargées lourdes sont tout simplement l’ensemble de toutes les particules chargées, à l’exception des électrons (et positrons). On peut en citer quelques-unes, tel le proton, la particule alpha (noyau d’hélium) et les ions lourds. Le passage d’une particule chargée dans la matière a deux effets principaux qui sont la perte d’énergie par la particule et une déflection de la trajectoire de la particule. Les processus qui gouvernent le freinage des particules chargées dans la matière sont extrêmement complexes. Nous nous bornerons à une approche simplifiée. L’effet b) est le processus principal responsable de la perte d’énergie des particules chargées lourdes. Dans ce type de collisions, l’énergie est transférée de la particule à l’atome en créant une ionisation ou une excitation de la matière. La quantité d’énergie transférée lors de chaque collision est généralement une très faible portion de l’énergie cinétique totale de la particule incidente. Cependant le nombre de collisions par unité de libre parcours moyen est tellement grand que l’on peut observer une perte d’énergie substantielle même dans des matériaux de faibles épaisseurs.

Les type d’interactions et les particules élémentaires :

Toute force est causée par des interactions au niveau des particules élémentaires. Toute désintégration de particules est aussi causée par des interactions. L’interaction entre particules de matière se fait via l’échange de particules (ex. bosons de jauge) qui portent les quanta d’énergie-impulsion de quatre types d’interaction [7]. une masse aux bosons d’interaction faible Z0, W+ et W-. Le graviton a pour le moment élude toute tentative d’observation et n’existe que dans le cadre de théories quantiques de la gravitation où il est interprété comme une fluctuation quantique du champ gravitationnel classique. Cependant, aucune de ces théories n’est entièrement satisfaisante même si certaines sont prometteuses. Par ailleurs la découverte du boson de Higgs reste à confirmer. Dans le passé, on a estimé sa masse par des moyens indirects, mais ces estimations sont peu fiables et ont changé fréquemment notamment parce que les effets indirects du boson de Higgs sur les phénomènes physiques sont relativement fiables. De plus il existe plusieurs scénarios qui ne requièrent pas de boson de Higgs alors que d’autres modèles proposent plusieurs Higgs.