Interactions Rayonnements Électromagnétiques Matière

Interactions des Rayonnements Électromagnétiques (REM) avec la Matière

L'interaction des REM avec la matière désigne l'ensemble des actions réciproques entre ces rayonnements et les composantes de la matière. C'est crucial pour comprendre les applications médicales, notamment en imagerie.

Introduction

• Définition : Actions réciproques entre REM et matière.

• Importance : Permet de comprendre les techniques d'imagerie médicale.

Types d'Interactions

1. Effet Photoélectrique

• Définition : Le photon incident () transfère toute son énergie à un électron atomique d'une couche profonde, l'éjectant ().

• Condition : (énergie de liaison de l'électron).

• Loi de conservation de l'énergie : .

• Photoélectron : Électron éjecté, son énergie cinétique est absorbée par le milieu.

• Seuil d'apparition : .

• Conséquences :

  1. Lacune laissée dans la couche électronique.

  2. Réorganisation atomique : électron d'une couche périphérique comble la lacune.

  3. Émission de photons de fluorescence

et/ou électrons Auger.

• Ces électrons peuvent provoquer des ionisations secondaires.

• Paramètres caractéristiques :

  • Coefficient d'atténuation linéaire photoélectrique () et massique ().

  • Loi de Bragg et Pierce : .

  • : Numéro atomique ; : Énergie du photon ; : Longueur d'onde du photon.

• Importance clinique :

  • Plus probable pour les éléments lourds (Z élevé) et les faibles énergies de photons ( faible).

  • Exemple : Plus probable dans les os (calcium) que dans les muscles (eau).

  • Fondement de l'imagerie radiologique médicale (variation des coefficients d'atténuation).

2. Diffusion Compton

• Définition : Choc élastique d'un photon incident () avec un électron "libre" (faible énergie de liaison).

• Lois de base : Conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement relativistes.

• Changement de longueur d'onde :

  • Photon diffusé () a une longueur d'onde différente de celle du photon incident ().

  • Variation .

• Partage d'énergie :

  • se partage entre (transférée à l'électron Compton) et (photon diffusé).

  • et .

• Effets radiobiologiques : L'énergie est progressivement absorbée par le milieu, provoquant des effets.

• Dépendance angulaire () :

  • Pour (choc tangentiel) : (minimale), .

  • Pour (choc frontal) : est maximale : .

• Direction des particules :

  • Électrons Compton : orientés vers l'avant.

  • Photons diffusés : peuvent être émis vers l'arrière.

• Paramètres caractéristiques :

  • Coefficient d'atténuation linéaire Compton () et massique ().

  • augmente avec la masse volumique ().

  • ne dépend presque pas de la nature du matériau, mais diminue lorsque augmente.

3. Effet de Matérialisation (Création de paires)

• Définition : Interaction de photons avec les noyaux atomiques, uniquement pour des photons très énergétiques.

• Processus : Annihilation du photon incident, donnant naissance à une paire électron-positon. Inverse de l'annihilation électron-positon.

• Condition : L'énergie du photon incident () doit être la somme des masses de l'électron et du positon.

• Seuil d'énergie : $E_0 \ge 2 m_e c^2 \Rightarrow E</mark></p></li></ul><p></p><p>_0 \ge 1,022 \mathrm{MeV}$.

  • Effets secondaires :

    • L'électron génère des ionisations successives.

    • Le positon s'annihile avec un électron, produisant 2 photons gamma de 0,511 MeV (ou 511 keV).

  • Coefficient d'atténuation linéaire () :

    • Augmente avec l'énergie incidente ().

    • Augmente avec le numéro atomique (Z) de l'atome.

  4. Autres Interactions (Négligeables en Imagerie Médicale)

  • Diffusion de Thomson-Rayleigh :

    • Photon absorbé et réémis sous un angle différent, sans changement de longueur d'onde.

    • Important pour photons de faible énergie (IR, visible, UV) ; négligeable pour photons X ou .

  • Réactions photonucléaires :

    • Se produisent pour des photons de très haute énergie (environ 10 MeV).

    • Non utilisées en pratique médicale.

  Cinétiques de l'Atténuation

  • Phénomène : Un faisceau de photons traversant un matériau subit :

    • Absorption : Transfert d'énergie au matériau.

    • Diffusion : Photons déviés dans toutes les directions.

    • Transmission : Photons traversant sans interagir.

  • Loi d'atténuation : Le nombre de photons transmis diminue exponentiellement avec l'épaisseur .

    • .

    • : Coefficient total d'atténuation linéaire (dimension inverse d'une longueur, ex: ).

    • dépend de la nature du milieu et de l'énergie des photons.

  • Libre Parcours Moyen (d) :

    • Épaisseur de matériau nécessaire pour diviser par .

    • .

  • Couche de Demi-Atténuation (CDA) :

    • Épaisseur de matériau nécessaire pour réduire le nombre de photons à la moitié ().

    • .

    • Pour CDA, .

  • Coefficient d'Atténuation Massique Global () :

    • Dimension : (unité SI: ).

    • Dépend des différents modes d'interaction.

  • Coefficient d'atténuation linéaire total () : Somme des coefficients élémentaires.

    • (Photoélectrique + Compton + Matérialisation).

    • .

  Comparaison des Effets Élémentaires et Prédominance

  La prédominance d'un effet dépend de l'énergie incidente () et du numéro atomique (Z) du matériau.

  Matériau	Énergie incidente	Effet prédominant
  Eau		photoélectrique
  		Compton
  		Matérialisation
  Plomb		photoélectrique
  		Compton
  		Matérialisation

  Conclusion

  • Les interactions des REM avec la matière sont fondamentales pour l'imagerie médicale.

  • Effet photoélectrique : Prédomine à basse énergie et pour les matériaux lourds (base de la radiographie).

  • Diffusion Compton : Prédomine aux énergies intermédiaires, quasi indépendant de Z pour le coefficient massique.

  • Effet de matérialisation : Nécessite de très hautes énergies () et augmente avec Z.

  • L'atténuation suit une loi exponentielle, caractérisée par le coefficient d'atténuation totale et la CDA.