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Rayon gamma
rayons gamma
rayons gamma

Les rayons gamma, symbolisés par la lettre grecque γ, sont une forme de rayonnement électromagnétique de haute énergie produits par la désintégration γ ou d'autre processus nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) ou subatomique tel que l'annihilation d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) électron-positron. Ils possèdent une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte aussi de...) très courte inférieure à 5 picomètres. La découverte des rayons gamma est due à Paul Villard, chimiste français (1860-1934).

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 différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de...). 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 (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) avec un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) à haute vitesse (On distingue :). 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et les rayons gamma de faible énergie.

Le blindage contre les rayons gamma requiert des grandes quantités de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...). Par exemple un blindage qui réduit de 50% l'intensité des rayons gamma nécessite 1 cm de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.), 6 cm de béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats légers) agglomérés par un liant.) ou 9 cm de terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...).

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. Ils produisent des dégâts similaires à ceux produits par les rayons X, tel que brûlures, cancers et mutations génétiques.

Interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec la matière

En passant par la matière, les rayons gamma sont absorbés d'une manière exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe...):

\displaystyle I(d) = I_0 e^{-\mu d}

Ici, μ = nσ est le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de...) d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux...), mesuré en cm-1, n le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'atomes par cm3 dans la matière, σ la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la...) d'absorption en cm2 et d l'épaisseur du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) en cm.

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 ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas forcément obtenu...) de l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la...) 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.
Le coefficient d'absorption total du plomb pour les rayons gamma, et les contributions des trois effets. Ici, l'effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distingue deux cas : des électrons sont éjectés...) 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 :

Effet photoélectrique

Dans l'effet photoélectrique, un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) gamma interagit avec la matière en transférant l'intégralité de son énergie à un électron d'orbitale qui est alors éjecté de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) auquel il était lié. L'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail nécessaire...) de ce photo-électron est égale à l'énergie du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de...) 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.

Diffusion Compton (En physique, la diffusion Compton est la diffusion d'un photon sur une particule de matière, comme un électron. On appelle effet Compton plus spécifiquement l'augmentation de la longueur d'onde du photon par la diffusion. Ce...)

Dans le cas de la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (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 (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue...) nucléaire. La diffusion Compton est relativement indépendante du numéro atomique (Le numéro atomique (Z) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de protons du noyau d'un atome. Un atome peut être schématisé...) de la matière absorbant les photons gamma.

Production de paires

En interagissant avec la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) de Coulomb au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout point. En revanche,...) d'un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est...), l'énergie du photon gamma incident peut spontanément être convertie en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) sous la forme d'une paire électron-positron. La production d'une telle paire nécessite une énergie égale à la masse au repos des particules qui la composent, soit 1,022 MeV; l'énergie excédentaire est transférée sous forme d'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) 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 (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron.), il possède une très courte durée de vie : 10-8 seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde...), car il se combine avec un autre électron; la masse totale de ces deux particules est alors convertie en deux photons gamma de 0,511 MeV chacun.

Les électrons (ou positrons) produits par ces trois procès puis produisent beaucoup d'ionisations jusqu'à la fin de leur parcours.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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