Rayonnement Électromagnétique: Bases

Résumé des Rayonnements Électromagnétiques (REM)

Introduction aux REM

• Définition: Déformation se propageant dans un milieu (matériel ou non).

  • Ondes Électromagnétiques (OEM): Perturbation du champ EM, résultant d'une vibration entre champs Électrique (E) et Magnétique (M), se propageant.

  • Ondes Acoustiques: Perturbation de milieu due aux variations de pression de particules.

• Origine des Ondes:

  • Déformation transversale (ex: vagues, corde).

  • Variation de pression (ex: explosion onde de choc).

  • Champs magnétiques et électriques.

• Objectifs:

  1. Définir: dualité onde-corpuscule, rayonnement ionisant, photon.

  2. Identifier les caractéristiques physiques d'un REM.

  3. Classer les REM par énergie, longueur d'onde et fréquence.

  4. Comparer les photons X et Y.

  5. Décrire les 3 interactions principales RI / matière.

  6. Expliquer le phénomène d'atténuation.

I. Bases Physiques des REM

I-1 Caractéristiques Physiques

• Les Ondes Électromagnétiques résultent de deux champs, électrique et magnétique,perpendiculaires et oscillant en phase sur un même plan.

• Propagation: Dans l'espace et le temps.

I-2 DualitéOnde-Corpuscule (DOC)

• Double nature de tout phénomène matériel (onde et particule).

• Photon: Chaque particule d'énergie transporte une énergie (E) proportionnelle à la fréquence () de l'onde.

• Fondement de la mécanique quantique.

• Modèle Ondulatoire:

  • Décrit les lois fondamentales de l'optique géométrique.

  • Explique les propriétés liées à la polarisation.

  • Pertinent pour des aspects macroscopiques et des photons de basse énergie.

• Modèle Corpusculaire:

  • Explique les interactions non-explicables par le modèle ondulatoire (ex: effet photoélectrique).

  • La lumière est un flux discontinu d'énergie électrique =photons (sans masse, vitesse c).

  • Adapté aux rayonnements de hautes fréquences (ex: rayons X, ) et des énergies élevées à l'échelle atomique.

I-3 Spectre et Classification des REM

• Classification selon:

  • Fréquence (f ou )

  • Énergie (E):

  • Longueur d'onde ():

Tableau des domaines spectraux des OEM

• Exemples d'Applications par Domaine:

  • Ondes Radio: Radio AM/TV FM, Téléphone portable,Wi-Fi.

  • Micro-ondes: Réchauffement, Téléphone portable.

  • Infrarouges (IR): Télécommandes, Fibroscopie.

  • Visible: Lumière (Fibroscopie).

  • Ultraviolets(UV): Désinfection.

  • Rayons X: Radiographie, Scanner corporel.

  • Rayons Gamma: Éléments radioactifs.

I-4 Rayonnements Ionisants (RI)

• Définition: Rayonnements avec une énergie minimale suffisante pour arracher un électron à la matière, créant ainsi des ions.

• Conditions pour RI:

  • nanomètre (nm)

  • électronvolt (eV)

  • Hertz (Hz)

• Types de RI:

  • Particules:

    • Légères: électrons ().

    • Lourdes: .

  • RI chargés: , , électrons, protons.

  • RI non chargés: photons( et X de manière indirectement ionisante), neutrons.

• Distinction Rayons X et :

  • Rayons X: Origine électronique.

  • Rayons : Origine nucléaire.

• Impact sur la matière:

  • Ils sont non directement ionisants (photons), mais produisent des particules chargées secondaires.

  • Même comportement vis-à-vis de la matière (interactions).

  • Base des applications médicales (diagnostiques et thérapeutiques).

II. Interactions REM Ionisantes / Matière

II-1 Interactions Photons / Matière

• Caractéristiques Générales:

  • L'énergie transférée dépend de la nature du REM (énergie) et du milieu.

  • Phénomènes observés: Absorption, Transmission, Diffusion.

  • Perte d'énergie / par unité de longueur du milieu: (Transfert d'Énergie Linéique).

  • Conservation de l'énergie incidente (Ei): .

• Mécanismes d'Interaction Photon-Matière (Dépôt indirect d'énergie):

  1. Effet Photoélectrique

  2. Effet Compton

  3. Création de paires

II-1-2 Effet Photoélectrique

Un photon incident (Ei) interagit avec un électron lié (proche du noyau). L'électron est arraché avec une énergie cinétique (Ec).L'atome est ionisé.

• Formule: (où est l'énergie de liaison de l'électron).

• Prédominant à basse énergieet pour les milieux à Z élevé (noyaux "lourds").

• Caractérisé par une absorption quasi-totale.

• Peut provoquer des raies caractéristiques (émission dephotons secondaires lors du réarrangement atomique).

II-1-3 Effet Compton

Un photon incident diffuse une partie de son énergie à un électron libre ou faiblement lié, qui est éjecté. Le photon change de direction etd'énergie (il est diffusé avec une énergie plus faible).

• Augmente avec l'énergie et implique absorption + diffusion.

• Moins dépendant du numéro atomique (Z) du milieu.

• Prédominant pour des énergies intermédiaires.

II-1-4 Création de Paires

Un photon incident de très haute énergie interagit avec le champ électrique du noyau et se matérialise enune paire électron-positron (, ).

• Condition d'énergie: (énergie au repos des deux particules).

  • Précisément: MeV (correspondant à l'énergie de masse des deux électrons, MeV).

• Le positron s'annihile ensuite avec un électron dumilieu, produisant deux photons de 0.511 MeV (rayons X et ) émis à .

• Applications: Détection en coïncidence (TEP - Tomographie par Émissionde Positrons).

II-1-5 Lois d'Interaction et Atténuation

• Chacun des 3 effets se produit avec une certaine probabilité, indépendamment.

• Atténuation:

  • L'intensité (I) d'un faisceau de photons décroît de façon exponentielle en traversant un milieu.

  • • : Nombre initial de photons.

    • : Nombre de photons ayant traversé l'épaisseur x sans interagir (photons transmis).

    • : Coefficient linéaire d'atténuation (en ).

  • dépend de la nature de l'écran (solide, air, liquide) et de l'énergie des photons.

  • Coefficient d'atténuation total: .

  • dépend aussi du milieu et de l'énergie incidente.

• Couche de Demi-Absorption (CDA):

  • Épaisseur de matériau qui arrête la moitié des photons incidents.

  • .

  • Importance: Une épaisseur de 10 CDA laisse passer seulement 1 photon sur 1000, constituant un bon écran de protection.

Conséquences des Interactions : Détection

• Toutes ces interactions sont exploitées par les détecteurs pour:

  • Identification de la nature des RI (présence).

  • Quantification (nombre, énergie, dose absorbée).

  • Visualisation de la trajectoire.

• Principes de détection:

  • Détecteurs utilisant l'ionisation: Formation de charges ( et ) au passage de la particule, recueillies par un champ électrique.

  • Détecteurs utilisant l'excitation: L'atome excité émet un photon en revenant à son état fondamental, permettant de mesurer l'énergie perdue par excitation.

II-2 Interactions Électron-Matière

• Les électrons incidents de forte énergie (> 1 MeV) interagissant avec des noyaux à Z élevé produisent un rayonnement de freinage (Bremsstrahlung). C'est-à-dire l'émissionde photons X.

Conclusion

• Les REM ionisants transfèrent de l'énergie et interagissent avec la matière, cédant leur énergie (en partie ou en totalité) au milieu.

• Ceséchanges d'énergie entraînent ionisation ou excitation de la matière.

• Ces modifications sont détectables et exploitées dans divers domaines:

  • Imagerie médicale: IRM, Radiologie, MédecineNucléaire (scintigraphie), Échographie.

  • Radiothérapie.

  • Radiobiologie.

• Les applications peuvent être à des fins pacifiques (médicales, production d'énergie) ou guerrières (armes nucléaires).