Rayon gamma

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Les rayons gamma sont produits par des processus nucléaires énergétiques au cœur des noyaux atomiques.

Un rayon gamma désigne le rayonnement électromagnétique produit par la désexcitation d'un noyau atomique résultant d'une désintégration. Ce processus d'émission est appelé radioactivité gamma. Usuellement, on appelle rayons gamma les rayonnements issus de l'annihilation d'une paire électron-positron. Les rayonnements gamma ont des longueurs d'ondes inférieures à 1 picomètre (<10^-12 m) et des fréquences supérieures à 30 exahertz (>3×10¹⁹ Hz). Ils peuvent avoir une énergie allant de quelques keV^[1] à plusieurs centaines de GeV. La découverte des rayons gamma en 1900 est due à Paul Villard, chimiste français (1860-1934).

Caractéristiques

Les rayons gamma sont plus pénétrants que les rayonnements alpha et les bêta, mais sont moins ionisants. Ils sont de même nature que les rayons X mais sont d'origine et de fréquence différentes.

Les rayons gamma sont produits par des transitions nucléaires tandis que les rayons X sont produits par des transitions électroniques provoquées en général par la collision d'un électron avec un atome, à haute vitesse, la fréquence de leurs ondes sont de l'ordre de 10¹⁷ à 10¹⁹(en Hz). Comme il est possible pour certaines transitions électroniques d'être plus énergétiques que des transitions nucléaires, il existe un certain chevauchement entre les rayons X de haute énergie et les rayons gamma de faible énergie. De plus, contrairement aux rayons X, on ne peut pas les dévier ou les focaliser à l'aide de miroirs.

Les sources cosmiques du rayonnement gamma

Les sources de rayonnement gamma dans l'univers sont connues depuis 1948 mais n'ont été observées que depuis le début des années 1960. En effet, les photons gamma sont presque complètement arrêtés par l'atmosphère terrestre. Les premières observations astronomiques ont été faites à partir de ballons-sondes, de fusées-sondes (temps d'observations très courts). Ils sont aujourd'hui observés par des télescopes spatiaux spécialisés. Les rayonnements gamma les plus énergétiques peuvent être indirectement observés par des observatoires terrestres qui captent la cascade électromagnétique générée par l'effet Vavilov-Tcherenkov. Le rayonnement gamma de source cosmique résulte des événements les plus violents de l'univers : jets relativistes produits par des trous noirs supermassifs (blazars), sursauts gamma, etc. L'énergie des photons gamma émis peut atteindre des centaines de GeV.

Interaction avec la matière

Illustration de la Crête de Tavernier qui se caractérise par l'accroissement de la dose d'irradiation de certains rayonnements, dont les rayons gamma, dans l'organisme avant sa décroissance exponentielle

En passant par la matière, les rayons gamma sont absorbés d'une manière exponentielle :

Ici :

• μ = nσ est le coefficient d'absorption, mesuré en cm⁻¹ ;
• n le nombre d'atomes par centimètre cube dans la matière ;
• σ la section efficace d'absorption en centimètres carrés est donnée pour un couple rayonnement-matière caractérisé par l'énergie du faisceau incident et la nature chimique du matériau cible (son numéro atomique Z, au premier ordre) ;
• et d l'épaisseur du matériau en centimètres.

Ainsi, l'on constate que le blindage contre les rayons gamma requiert des grandes quantités de matière et qu'il n'est pas possible de stopper 100 % du rayonnement. Par exemple, un blindage qui réduit de 50 % l'intensité de rayons gamma de 1 MeV nécessite 1 cm de plomb, 6 cm de béton ou 9 cm de terre. Plus le numéro atomique (Z) est élevé, plus l'atténuation est forte. En inversant la relation ci-dessus, l'épaisseur nécessaire pour atténuer le rayonnement d'un facteur X=I₀/I est donnée par d=[Ln(1/1-X)]/µ. Avec un blindage en plomb, de numéro atomique Z=82 et de coefficient d'absorption µ=0,693147, il faut 6,6 cm pour éliminer 99 %, 13 cm pour éliminer 99,99 % et 19,9 cm pour éliminer 99,9999 % (ce qui atténue l'énergie du rayonnement d'un facteur 10⁶). Avec un blindage en béton, de coefficient d'absorption µ=0,1155, il faut 19,9 cm pour éliminer 90 % des radiations gamma, 99,6 cm pour éliminer 99,999 %, 1,20 m pour 99,9999 % et 1,30 m pour 99,99999 % (radiations gamma divisées par 10⁷).

En pénétrant une substance, telle la matière vivante, la dose d'irradiation par les rayons gamma passe d'abord par un maximum ou "Crête de Tavernier", du nom du physicien belge Guy Tavernier qui découvrit ce phénomène en 1948, avant de décroître exponentiellement avec la profondeur. Ce maximum se situe à environ 1 cm de profondeur pour les rayons gamma et l'intensité de ce rayonnement gamma est fort dépendant de la longueur de diffusion valable pour la substance pénétrée.

Le coefficient d'absorption total de l'aluminium pour les rayons gamma, et les contributions des trois effets. Ici, l'effet Compton domine.

Le coefficient d'absorption total du plomb pour les rayons gamma, et les contributions des trois effets. Ici, l'effet photoélectrique domine pour l'énergie basse, et la production des paires au-dessus de 5 MeV.

Les rayons gamma interagissent avec la matière via trois mécanismes principaux :

Effets photoélectriques

Dans l'effet photoélectrique, un photon gamma interagit avec la matière en transférant l'intégralité de son énergie à un électron d'orbitale qui est alors éjecté de l'atome auquel il était lié. L'énergie cinétique de ce photo-électron est égale à l'énergie du photon gamma moins l'énergie de liaison de l'électron. L'effet photoélectrique est supposé être le mécanisme principal de transfert d'énergie des rayons X et des rayons gamma d'énergie inférieure à 50 keV, mais est beaucoup moins important à plus hautes énergies. Sa plage d'énergie dépend du numéro atomique.

Diffusion Compton

Dans le cas de la diffusion Compton, le photon gamma possède une énergie plus que suffisante pour arracher un électron d'orbitale ; l'énergie restante est réémise sous forme d'un nouveau photon gamma de moindre énergie et dont la direction d'émission est différente de la direction incidente du photon gamma d'origine. L'efficacité de la diffusion Compton diminue avec l'augmentation de l'énergie des photons ; on pense que c'est le principal mécanisme d'absorption des rayons gamma dans la gamme d'énergie entre 100 keV et 10 MeV, qui est celle qui inclut la plus grande part de radiations gamma provenant d'une explosion nucléaire. La diffusion Compton est relativement indépendante du numéro atomique de la matière absorbant les photons gamma.

Production de paires

En interagissant avec la force de Coulomb au voisinage d'un noyau atomique, l'énergie du photon gamma incident peut spontanément être convertie en masse sous la forme d'une paire électron-positron. La production d'une telle paire nécessite une énergie supérieure à la masse au repos des particules qui la composent, soit 1,022 MeV : l'énergie excédentaire est transférée sous forme d'énergie cinétique à la paire formée ainsi qu'au noyau de l'atome. L'électron produit, qui est souvent appelé électron secondaire, est hautement ionisant. Quant au positron, très ionisant aussi, il possède une très courte durée de vie dans la matière : 10^-8 seconde, car dès qu'il est à peu près arrêté, il se combine avec un électron ; la masse totale de ces deux particules est alors convertie en deux photons gamma de 0 511 MeV chacun.

Les électrons (positrons) produits par ces trois processus, produisent beaucoup d'ionisations, qui les ralentissent jusqu'à la fin de leur parcours, où les positrons s'annihilent.

Utilisation

• Radiographie par rayons gamma : gammagraphie
• Imagerie médicale
• Médecine nucléaire
• Spectrométrie gamma
• Astronomie gamma

Spectrométrie Mössbauer

Il s'agit d'une spectrométrie d'absorption.

L'échantillon est excité par un rayonnement gamma (photons) dont on fait varier l'énergie autour d'une énergie de transition nucléaire. Pour cela, on dispose d'une source émettant un rayonnement continu, et on fait se déplacer la source par oscillations ; c'est l'effet Doppler-Fizeau qui produit la variation de l'énergie.

Un détecteur se trouve derrière l'échantillon. Lorsque l'énergie du rayonnement incident correspond à l'énergie de transition, le rayonnement est absorbé, et donc l'intensité collectée est plus faible.

Le spectre Mössbauer est constitué d'un ensemble de multiplets dont la forme et la position (déplacement chimique) sont à la fois caractéristique du nombre d'oxydation, mais aussi de la nature et de la géométrie des plus proches voisins de l'élément chimique étudié.

Danger

Les rayons gamma provenant de retombées radioactives seraient probablement le plus grand danger dans le cas d'une guerre nucléaire. Si les rayons gamma sont moins ionisants que les rayons alpha ou bêta, ils demandent des épaisseurs de blindage beaucoup plus importantes pour s'en protéger (de l'ordre de quelques mètres d'épaisseur de béton armé). Ils peuvent produire des dégâts similaires à ceux produits par les rayons X et les autres rayonnements ionisants, tels que brûlures (effet déterministe), cancers et mutations génétiques (effets stochastiques).

Répartition géographique en France

En France, le RNM (Réseau national de mesure de la radioactivité dans l’environnement) diffuse des mesures de rayons gamma en divers points du territoire^[2]. Ci-dessous, les ordres de grandeur de ces rayonnements mesurés par différents organismes de 2009 à 2012:

Mesures d'EDF :

• Golfech 90 nanosievert par heure (plus ou moins 18)
• Braud-et-Saint-Louis 90 nanosievert par heure (plus ou moins 18)
• Dampierre-en-Burly 120 nanosievert par heure (plus ou moins 25)
• Paluel 82 nanosievert par heure (plus ou moins 16)

Mesures de l'IRSN de sites à fortes radioactivité naturelle :

• Chamonix-Mont-Blanc (aiguille du midi) 250 nanosievert par heure (plus ou moins 70)
• Montluçon (bassin d'uranium) 220 nanosievert par heure (plus ou moins 70)
• Saint-Maurice-sur-Moselle (massif granitique) 210 nanosievert par heure (plus ou moins 60)
• Mantet (Pic du Canigou) 170 nanosievert par heure (plus ou moins 50)

Mesures de l'IRSN :

• Paris-7 45 nanosievert par heure (plus ou moins 5)
• Martinique 48 nanosievert par heure (plus ou moins 5)
• Paris-12 55 nanosievert par heure (plus ou moins 6)
• Paris-8 55 nanosievert par heure (plus ou moins 5)
• Anglet 55 nanosievert par heure (plus ou moins 16)
• Guadeloupe 60 nanosievert par heure (plus ou moins 6)
• La Réunion 60 nanosievert par heure (plus ou moins 6)
• Valence 62 nanosievert par heure (plus ou moins 6)
• Lyon 70 nanosievert par heure (plus ou moins 7)
• Marseille 70 nanosievert par heure (plus ou moins 20)
• La Rochelle 70 nanosievert par heure (plus ou moins 7)
• Rennes 70 nanosievert par heure (plus ou moins 7)
• Mayotte 79 nanosievert par heure (plus ou moins 8)
• Toulouse 100 nanosievert par heure (plus ou moins 10)
• Brennilis 105 nanosievert par heure (plus ou moins 32)
• Bagnères-de-Bigorre 105 nanosievert par heure (plus ou moins 30)

Mesures de CEA :

• Bagnols-sur-Cèze (usine) 105 nanosievert par heure (plus ou moins 5)

Autres mesures :

• Narbonne (usine Areva Malvési) 170 nanosievert par heure (plus ou moins 15), mesure Areva
• Romans-sur-Isere (usine) mesures variables (entre 40 et 140).
• Grenoble (synchroton) mesures variables (entre 70 et 110).

Notes et références

Articles connexes

• Astronomie gamma
• Rayonnement ionisant
• Radioactivité γ
• Interaction rayonnement-matière
• Radioprotection
• Pollution radioactive
• Sursaut gamma (Gamma ray bursts)

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