Effet Photoelectrique

Le mécanisme d’absorption des photons le plus efficace

L’effet photoélectrique est le phénomène qui transforme les infrarouges, la lumière, les ultraviolets en courant électrique dans les panneaux solaires et les cellules de nos caméras. Il intervient aussi en radioprotection, un tout autre domaine, pour nous protéger des rayons X et gamma en transformant ces rayonnements pénétrants en électrons faciles à arrêter.

L’effet photoélectrique est le phénomène physique dominant pour atténuer les rayons gamma ou X de basse ou moyenne énergie. Le photon gamma ou X disparaît, absorbé en interagissant avec un électron lié d’un atome ou molécule. Les électrons peu liés sont souvent mis en commun entre plusieurs atomes : molécules ou réseau cristallin ou métallique Les électrons plus internes sont propres aux atomes. Les valeurs des énergies de liaison atomiques (loi de Moseley) jouent le rôle de seuils pour l’effet photoélectrique.

La structure en couches des atomes joue un rôle primordial. Le photon n’arrache un électron d’une couche que si son énergie est supérieure à l’énergie de liaison de celui-ci sur sa couche. En dessous de cette valeur, la probabilité (appelée section efficace) d’arracher un électron de cette couche est nulle.

Les photons lumineux de faible énergie n’arrachent que les électrons les moins liés et les plus externes des atomes. Cette capacité diminue très vite, jusqu’au moment où l’énergie des photons dépasse le seuil de l’énergie de liaison de la première couche interne de l’atome : le photon devient capable d’arracher les électrons plus profonds de cette couche interne.

Au delà de ce seuil, la probabilité d’arracher les électrons de la nouvelle couche s’ajoute à celle des couches précédentes. La probabilité de l’effet photoélectrique augmente d’autant. Elle fait un “saut”.

La probabilité d’arracher les électrons de la nouvelle couche décroît à son tour jusqu’au moment où l’énergie du photon dépasse le seuil de l’énergie de liaison des électrons de la couche suivante qui deviennent alors les principaux contributeurs. Au fur et à mesure que son énergie augmente, le photon interagit tour à tour avec des couches de plus en plus profondes de l’atome.

Ce sont les deux électrons de la couche K la plus profonde, en prise directe avec le noyau de l’atome qui constituent en quelque sorte la dernière cartouche. Après un saut ultime, la section efficace décroît inexorablement. Pour être à même d’arracher un électron de la couche K, le photon doit avoir une énergie d’un rayon X voire d’un rayon gamma. Au dessus du seuil de la couche K, la charge électrique Z du noyau intervient à la puissance quatrième : l’effet photoélectrique pour un atome de plomb (Z=82) sera donc 10000 fois plus fort que pour un atome d’oxygène (Z=8)..

Au total, la décroissance de l’effet photoélectrique avec l’énergie est impressionnante, bien que la chute soit atténuée par les sauts observés lors la traversée des seuils des couches successives de l’atome.

Dans le cas de l’oxygène, l’énergie de liaison de la couche K, de l’ordre de 1 keV, est négligeable pour des gamma dont les énergies sont de plusieurs dizaines ou centaines de keV. L’électron leur paraît quasi libre. On est dans le domaine de l’effet Compton qui l’emporte alors sur l’effet photoélectrique.

Le plomb est beaucoup plus favorable pour la radioprotection. Le matériau est très dense. Les énergies de liaison de 20 et 90 keV des couches internes L et K sont bien supérieures. On bénéficie de la contribution des électrons L et K et surtout de la charge très élevée du noyau de plomb (Z=82 ) dans un domaine qui englobe l’ensemble des rayons X et une part appréciable des rayons gamma.

Rayons X de désexcitation Qu’advient-il de l’atome laissé dans un état excité. Il a hérite d’un surplus d’énergie égal à l’énergie de liaison arraché. Il va se réorganiser et restituer cette excédent. Si le photon gamma a arraché un électron de la couche K, un électron de la couche L plus externe va occuper la lacune laissée sur la couche K en émettant un rayon X, dont l’énergie est caractéristique de l’atome. Cette émission de rayons de désexcitation est parfois appelée fluorescence X. Emis au sein d’une matière dense, ce rayon X sera généralement absorbé après un court parcours.

EFFET CONCURRENT : Effet Compton