EN | FR

Le phénomène d'ionisation



Un sillage dans un mer d'atomes ...

Ionisation d'un atome
La figure montre une particule alpha dotée d’une grande énergie expulsant un électron d’un atome rencontré sur son chemin. L’atome qui a perdu un électron devient un ion. Son cortège d’électrons est perturbé, des liaisons avec ses voisins sont rompues. L’énergie transférée par la particule alpha, se retrouve dissipée dans le milieu sous forme de radiations électromagnétiques ou de chaleur. La particule alpha peut arracher des électrons à distance grâce à sa charge électrique. Elle peut ioniser des centaines de milliers, voire des millions d’atomes, avant de s’arrêter.
DR

La charge électrique confère à une particule la faculté d'agir à distance et d'arracher des électrons appartenant aux atomes du milieu traversé. Elle « ionise » la matière, car les atomes neutres qui ont perdu des électrons sont appelés des « ions ». L'ionisation est d'autant plus forte que la charge électrique du projectile est élevée.

Les alpha : des particules très ionisantes
Le pouvoir ionisant d'une particule chargée est mesuré par l'énergie qu'elle perd par unité de longueur dans le milieu qu'elle traverse : le « transfert linéaire d'énergie ». Les alpha sont des particules particulièrement d'ionisantes comme le montre la variation de ce transfert d'énergie dans l'eau en fonction de leur énergie. L'énergie communiquée par une désintégration radioactive aux alpha ne dépasse pas 9 millions d'électronvolts (9 MeV). Au cours du ralentissement, leur pouvoir ionisant se situe entre 60 et 250 MeV par millimètre. Les bêta sont beaucoup moins ionisants.
IN2P3
L'énergie d'un rayon alpha ou bêta est des centaines de milliers de fois supérieure aux quelques électronvolts nécessaires pour ioniser un atome. Il faut environ 30 électronvolts pour arracher un électron d'un atome de gaz, et beaucoup moins dans une structure cristalline. Par exemple dans des cristaux de silicium utilisés dans certains détecteurs (et puces de micro-ordinateurs) il suffit de 3 électronvolts pour rendre mobile un électron du cristal. Une particule alpha, de 4,2 MeV (millions d'électronvolts), issue de la désintégration d'un noyau lourd possède la faculté d'arracher 140 000 électrons d'atomes de gaz ou 1 million 400 mille dans le silicium.

La perte en énergie due à l'ionisation est proportionnelle à la masse et au carré de la charge de la particule. Elle varie beaucoup avec sa vitesse. Quand la particule est lente, elle passe davantage de temps dans un atome et elle a plus de chances d'interagir en le traversant. L'ionisation devient particulièrement intense en fin de parcours quand le projectile a perdu presque toute sa vitesse. Cette propriété est utilisée pour des applications thérapeutiques. Dans le traitement par irradiations de tumeurs cancéreuses, on règle le parcours des particules chargées pour qu'elles s'arrêtent dans les cellules malignes.

À force d’arracher des électrons, la particule perd son énergie, se ralentit et finit par s’arrêter. Plus l’ionisation est intense, plus le trajet est court. Tel est le cas des particules alpha, dont la longueur du parcours, dépend de l’énergie initiale. Le parcours d’un électron bêta est sinueux, mais ne peut dépasser une certaine longueur caractéristique de l’énergie. Du point de vue de la protection, une épaisseur de blindage supérieure au parcours maximum assure une sécurité parfaite.

Réarrangements atomiques: fluorescence X
Quand l’électron arraché (par ionisation ou par effet Compton dans le cas d’un gamma) est proche du noyau, l’atome se réorganise. Après l'éjection (à gauche) d'un électron de la couche K, un électron saute de la couche L pour occuper sa place (à droite). L'atome réagit alors en émettant un rayon X caractéristique et lui-même pénétrant. C’est le phénomène de la fluorescence X qui a de nombreuses applications.
IN2P3

Les électrons et les ions créés se recombinent après le passage de la particule ionisante. L'énergie perdue est rapidement dissipée sous forme de chaleur le long de la trajectoire. Cette chaleur suffit à déclencher la formation de bulles dans un liquide sur le point de bouillir. Dans la bière, des bulles sont déclenchées par des particules chargées du rayonnement cosmique. Les effets de l’ionisation sont multiples : ruptures de liaisons moléculaires, créations de radicaux libres, déclenchements de réactions chimiques, génération de défauts dans des structures cristallines, etc... Dans certaines matières plastiques transparentes, les atomes retournent à l'équilibre en émettant de la lumière.

Quand l’électron arraché (par ionisation ou par effet photoélectrique dans le cas d’un gamma) est proche du noyau, l’atome réagit en émettant un rayon X caractéristique et lui-même pénétrant. C’est le phénomène de la fluorescence X qui a de nombreuses applications.