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Effet Compton



Des gamma comme projectiles et des électrons comme cibles

L’effet Compton est le nom donné par les physiciens à la collision d’un photon et d’un électron : le photon rebondit sur un électron cible et perd de l’énergie. L'électron est mis en mouvement. Ces collisions, où l'on retrouve à la sortie les particules initiales, entrent en compétition avec l’effet photoélectrique lors de la traversée de la matière par des gamma. L'effet Compton contribue à l'atténuation du rayonnement gamma.

L'effet fut découvert en 1922 par le physicien américain Arthur Compton. Compton reçut le prix Nobel de Physique en 1927. Sa découverte démontrait que les ondes électromagnétiques se comportaient aussi comme des particules.

Collision d’un photon et d’un électron atomique
L’effet Compton concerne la plupart des électrons atomiques. Un photon gamma qui joue le rôle de projectile entre en collision avec un électron d’un atome qui lui sert de cible. Le gamma a été représenté comme un quasi corpuscule en raison de sa très courte longueur d’onde à l’échelle de l’atome. La grande majorité des électrons possédant une énergie petite par rapport à celle du gamma, les physiciens ont coutume de la négliger et de considérer l’électron cible comme au repos. Lors de la collision, l’électron est mis en mouvement selon un certain angle, alors que le gamma diffusé selon un autre angle perd de son énergie .
IN2P3

Les collisions Compton peuvent être considérées comme des collisions élastiques entre un photon et un électron. Elles deviennent prépondérantes quand l’énergie du photon devient grande par rapport à l'attraction qui retient l’électron à un atome, mesurée par son énergie de liaison. Pour un atome léger comme le carbone, l’effet Compton l’emporte sur l’effet photoélectrique au dessus de 20 keV. Pour le cuivre c’est au dessus de 130 keV ; pour le plomb de 600 keV.

Dans cette plage d’énergie, on le voit très variable, le phénomène concerne tous les électrons de l’atome, alors que dans l’effet photoélectrique ce sont les deux électrons de la couche K la plus interne qui jouent un rôle. Pour un absorbeur, c’est la densité des électrons qui est déterminante dans le domaine où l’effet Compton domine. Le plomb possède de ce fait un avantage sur les matériaux plus légers, même s’il ne bénéficie plus de la charge électrique élevée de son noyau qui intervenait à la puissance quatrième dans l’effet photoélectrique.

Un partage d’énergie inégal
Le partage de l’énergie entre le photon gamma et l’électron qui a servi de cible dépend de l’angle de diffusion du gamma. Le cas le plus probable est celui dans lequel le photon n’est pas diffusé et ne perd pas d’énergie. Le cas le plus rare est celui où le gamma rebondit vers l’arrière propulsant l’électron vers l’avant. En moyenne, le photon ne transfère qu’une petite partie de son énergie à l’électron et subit un changement de direction important (les valeurs de la figure ont été calculées pour une énergie de 500 keV).
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Le gamma n’est pas absorbé dans la collision. Le photon qui émerge avec l’électron, appelé photon « diffusé », partage avec l’électron mis en mouvement l’énergie initiale. L'électron perd ensuite son énergie par ionisation comme un électron bêta. Le gamma diffusé se propage dans la matière sans déposer d'énergie jusqu'à ce qu'il interagisse à son tour.

Le photon diffusé émerge généralement dans une direction différente du photon incident. Il peut même partir en sens inverse (c’est la rétrodiffusion). En moyenne il part avec un angle de 30 à 45 ° assez grand. Des gamma de plusieurs centaines de keV peuvent subir de multiples diffusions Compton avant d’être finalement absorbé par effet photoélectrique.

Quand l’énergie du gamma dépasse 1 MeV, ce qui est rarement le cas pour les gamma émis par les noyaux, la diffusion Compton commence à être concurrencée par un nouveau phénomène : la transformation d’un gamma en un électron et son antiparticule, un positron. Ce phénomène devient prépondérant avec les gamma de haute énergie produits par exemple avec des accélérateurs de particules.

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