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Parcours des gamma

Parcours d'un gamma
Les photons déposent leur énergie dans la matière en transmettant leur énergie à des particules chargées. Ce photon gamma a été produit au point A, lors d'une collision d'une particule provenant d'un grand accélérateur. Après avoir voyagé sans interagir, le gamma se matérialise au point B en transmettant son énergie à un électron et à un positon. La présence d'un champ magnétique intense courbe en sens inverse la trajectoire des deux particules. Celles-ci perdent leur énergie en se ralentissant et spiralent avant de s'arrêter. Cette cascade d'évènements est observée dans une « chambre à bulles ».
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Des rayons pénétrants



L'effet des rayons gamma est très différent de celui de particules chargées. Alors que les rayons alpha et bêta déposent leur énergie progressivement, les photons gamma procèdent par tout ou rien. Ils ne produisent aucun effet avant d'interagir avec un noyau ou un électron. Quand ils interagissent, ils mettent en mouvement des particules chargées. Ce sont elles qui déposeront l'énergie dans la matière.

Production de paires
Le troisième mode d'interaction des photons gamma est la production d'une paire de particules, un électron et son antiparticule, un positon. Cette production ne s'observe qu'au dessus d'une énergie seuil de 1,02 MeV, énergie requise par la relation d'Einstein pour créer la masse d'un électron et d'un positon. La plupart des photons gamma issus des désintégrations radioactives n'atteignant pas cette énergie seuil, la production de paires ne concerne que la tranche des gamma les plus énergétiques. Les photons gamma de haute énergie se matérialisent principalement en passant à proximité de la charge électrique des noyaux avec lesquels ils interagissent.
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Effet Compton
Mode d'interaction privilégié avec la matière pour des photons gamma d'énergie moyenne, l'effet Compton ressemble à l'effet photoélectrique, avec cette différence que l'électron qui a absorbé le photon initial, émet un autre photon d'énergie moindre. L'effet Compton devient prépondérant quand l'énergie du photon devient très supérieure à l'énergie de liaison de l'électron qui subit la collision. Il doit son nom au physicien américain, Arthur Compton.
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Le principal mécanisme est « l'effet Compton » qui s'interprète comme la collision d'un gamma et d'un électron atomique (*). L'énergie initiale se partage entre l'électron et le photon. L'électron mis en mouvement perd son énergie par ionisation comme un électron bêta. Le nouveau gamma se propage sans déposer d'énergie jusqu'à ce qu'il interagisse à son tour.

Quand l'énergie du gamma est supérieure à une énergie d'un million d'électronvolts, un nouvel effet se manifeste : le photon par interaction avec un noyau crée un électron et un positon. L'énergie du gamma s'est transformée en matière(**), le champ électrique intense du noyau servant de catalyseur. La « production de paires » l'emporte sur l'effet Compton à haute énergie, mais elle demeure marginale dans le domaine nucléaire.

Avec de la chance, les rayons gamma peuvent échapper longtemps à une interaction. Ils sont donc très pénétrants et beaucoup plus difficiles à arrêter que des alpha et bêta. Dans les laboratoires et auprès des accélérateurs, l'habitude est de s'en protéger par des écrans en plomb, un matériau bon marché, les gamma étant plus vite absorbés par des noyaux lourds.

Effet photoélectrique
L'effet photoélectrique, mode d'interaction privilégié des photons de faible énergie avec la matière, concerne également les photons gamma. Le gamma percute un électron d'une orbite atomique interne. L'électron est alors expulsé, le photon absorbé. L'expulsion est suivie d'un réarrangement du cortège électronique de l'atome, des électrons appartenant à des orbites plus externes venant prendre la place de l'électron expulsé. Ces sauts d'orbites s'accompagnent de l'émission de photons de fluorescence (dont des rayons X) qui n'ont pas été représentés sur la figure.
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Les effets des rayons gamma sont délocalisés et se font sentir dans des volumes importants. C'est pourquoi les gamma du Cobalt-60 sont utilisés par exemple pour la stérilisation des aliments et la désinfection des momies. À faible dose, les gamma sont utilisés pour le diagnostic médical, car ils sont les moins nocifs en cas d'irradiations internes. C'est la raison pour laquelle, le technétium-99m, qui est l'un des rares noyaux uniquement émetteur gamma, est très recherché.


Voir aussi :

Radioprotection