1I.4.1 Description microscopique des interactions
Deux types d'interactions entre photon X et matière
sont envisageables : l'effet photoélectrique et l'effet Compton. L'effet
photoélectrique prédomine aux faibles énergies.
L'effet photoélectrique : le photon entre en collision
avec un électron des couches internes de l'atome. L'énergie E du
photon incident est transférée à l'électron qui est
éjecté de sa couche. Une partie de cette énergie est
utilisée pour «extraire» l'électron interne
(énergie de liaison W); l'excédent d'énergie se retrouve
sous forme d'énergie cinétique Ec de l'électron
éjecté. Par conséquent, E = W+Ec. L'effet
photoélectrique ne peut avoir lieu que si l'énergie du photon
incident est supérieure à l'énergie de liaison de
l'électron.
L'énergie cinétique du photo-électron est
finalement transférée au milieu lors d'ionisations
ultérieures. Le retour de l'atome à l'état fondamental
s'accompagne d'une émission d'énergie sous forme d'un photon de
fluorescence ou d'un électron Auger (fig.II.2).
Fig.II.2 Effet photoélectrique.
Le photon de fluorescence est émis lorsqu'un
électron des couches supérieures prend la place laissée
vacante par l'électron éjecté. Parfois, pour des milieux
de Z petit, le photon de fluorescence produit un nouvel effet
photoélectrique avec émission d'un électron: c'est l'effet
Auger.
L'effet Compton : le photon entre en
collision avec un électron libre ou faiblement lié auquel il
cède une partie de son énergie. Un photon d'énergie plus
faible est diffusé dans une direction différente de la direction
initiale (fig.II.3). Pour les photons X étudiés ici, la majeure
partie de l'énergie est emportée par le photon diffusé.
[8]
Figure II.3 Effet Compton : il s'agit de la
diffusion d'un photon par un électron.
II.4.2 La loi d'atténuation du rayonnement X :
Un faisceau unidirectionnel de photons
monoénergétiques traverse un écran matériel. Soit
I(x) l'intensité du faisceau (nombre de photons franchissant
l'unité de surface normale au faisceau par unité de temps)
à la position x. Appelons -dI la variation d'intensité sur une
épaisseur infiniment petite dx. L'expérience montre que -dI est
proportionnel à l'intensité incidente et à
l'épaisseur x :
-dI = m (E, M) I dx. (II.1)
Le coefficient de proportionnalité m(E, M),
appelé coefficient d'atténuation linéaire, dépend
de l'énergie E des photons incidents et du milieu M. Il a la dimension
de l'inverse d'une longueur. L'intégration de la relation (II.1) donne
la loi d'atténuation d'un faisceau parallèle
monoénergétique de rayonnement électromagnétique en
fonction de l'épaisseur x:
I(x) = I0 exp [-m (E, M) x] (II.2)
I(x) est l'intensité du faisceau après avoir
traversé une épaisseur x de matière et I0
l'intensité du faisceau incident [I0 = I(x = 0)].
L'intensité d'un rayonnement
électromagnétique décroît exponentiellement
en fonction de l'épaisseur de matière traversée.
Le coefficient d'atténuation varie fortement en fonction de la
matière et de l'énergie des photons. De manière
générale, il croît en fonction du numéro atomique du
milieu et décroît en fonction de l'énergie du
rayonnement.
La pénétration du rayonnement à travers
la matière est souvent caractérisée par l'épaisseur
de demi atténuation, épaisseur de matière telle que
l'intensité du faisceau incident est réduite de
moitié.[7]
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