Effet Photoelectrique



Le mécanisme d’absorption des photons le plus efficace



Absorption d’un gamma par un atome
L’effet photoélectrique se produit en deux temps. Tout d’abord, le photon arrache (a) un électron lié d’un atome. Dans le cas d’un gamma, il s’agit généralement d’un électron appartenant aux couches les plus internes L ou K (comme sur la figure). Ensuite l’atome qui a perdu un de ses électrons internes se trouve dans un état excité. Un électron d’une couche plus externe (b) vient occuper la lacune laissée par l’électron éjecté. Si l’électron éjecté appartenait à la couche K comme sur la figure, un rayon X est émis lors de cette transition.
IN2P3

L’effet photoélectrique est le phénomène qui transforme les infrarouges, la lumière, les ultraviolets en courant électrique dans les panneaux solaires et les cellules de nos caméras. Il intervient aussi en radioprotection, un tout autre domaine, pour nous protéger des rayons X et gamma en transformant ces rayonnements pénétrants en électrons faciles à arrêter.

L’effet photoélectrique est le phénomène physique le plus efficace pour atténuer ces rayonnements. Le photon gamma ou X, absorbé en interagissant avec un électron lié à un atome (*), disparaît.

La structure en couches des atomes joue un rôle primordial. Le photon n’arrache un électron que si son énergie est supérieure à l’énergie de liaison de celui-ci sur sa couche. La probabilité (appelée section efficace) d’arracher un électron à sa couche devient non nulle qu’une fois passé ce seuil.


Effet photoélectrique : exemple du plomb


Photoélectrique contre Compton

Les photons lumineux de faible énergie n’arrachent que les électrons les moins liés et les plus externes des atomes. Cette capacité diminue très vite, jusqu’au moment où l’énergie des photons dépasse le seuil de l’énergie de liaison de la première couche interne de l’atome : le photon devient capable d’arracher les électrons de cette couche.

Au passage de ce seuil, la probabilité d’arracher les électrons de la nouvelle couche s'ajoute à celle des couches précédentes. La probabilité de l'effet photoélectrique augmente d'autant. Elle fait un "saut".

La probabilité d’arracher les électrons de la nouvelle couche décroît à son tour jusqu’au moment où l’énergie du photon dépasse le seuil de l’énergie de liaison des électrons de la couche suivante qui deviennent alors les principaux contributeurs. Au fur et à mesure que son énergie augmente, le photon interagit tour à tour avec des couches de plus en plus profondes de l’atome.

Ce sont les deux électrons de la couche K la plus profonde, en prise directe avec le noyau de l’atome qui constituent en quelque sorte la dernière cartouche. Après un saut ultime, la section efficace décroît inexorablement. Le photon est devenu un rayon X voire un rayon gamma du fait de son énergie qui a beaucoup cru. Une fois passé le seuil de la couche K, la charge électrique Z du noyau intervient à la puissance quatrième : l’effet photoélectrique pour un atome de plomb (Z=82) sera donc 10000 fois plus fort que pour un atome d’oxygène (Z=8)..

Au total, la décroissance de l’effet photoélectrique avec l’énergie est impressionnante, bien que la chute soit atténuée par les sauts observés lors la traversée des seuils des couches successives de l’atome.

Dans le cas de l’oxygène, l’énergie de liaison de la couche K, de l’ordre de 1 keV, est négligeable pour des gamma dont les énergies sont de plusieurs dizaines ou centaines de keV. L’électron leur paraît quasi libre. On est dans le domaine de l’effet Compton qui l’emporte alors sur l’effet photoélectrique.

Le cas du plomb est beaucoup plus favorable pour la radioprotection. Le matériau est très dense. Les énergies de liaison de 20 et 90 keV des couches internes L et K sont bien supérieures. On bénéficie de la contribution des électrons L et K et surtout de la charge très élevée du noyau de plomb (Z=82 ) dans un domaine qui englobe l’ensemble des rayons X et une part appréciable des rayons gamma.

Pour terminer, qu’advient-il de l’atome laissé dans un état excité. Il a hérite d’un surplus d’énergie égal à l’énergie de liaison arraché. Il va se réorganiser et restituer cette excédent. Si le photon gamma a arraché un électron de la couche K, un électron de la couche L plus externe va occuper la lacune laissée sur la couche K en émettant un rayon X. Ce rayon sera généralement absorbé après un court parcours .

Sujets voisins : Effet Compton, Effets des neutrons


Voir aussi :

Niveaux d'énergies
Photons