Parcours des gamma

Un rayonnement pénétrant mais qui s’atténue …

L’effet des rayons gamma est très différent de celui de particules chargées. Alors que les rayons alpha et bêta déposent leur énergie progressivement, les photons gamma procèdent par tout ou rien. Ils ne produisent aucun effet avant d’interagir avec un noyau ou un électron. Quand ils interagissent, ils mettent en mouvement des particules chargées. Ce sont elles qui déposeront l’énergie dans la matière.

Les photons interagissent de trois façons avec la matière: par effet photoélectrique, par effet Compton, par la création de paires d’électrons et de positrons.

L’effet photoélectrique constitue le mode d’interaction dominant quand l’énergie du gamma est de l’ordre des énergies de liaison des électrons des atomes rencontrés. Le gamma arrache un électron à sa couche atomique. Il partage son énergie entre l’électron arraché et l’atome qui se retrouve dans un état excité. Ce dernier se débarrasse ensuite de son énergie d’excitation en émettant des photons dits de “fluorescence” dont des caractéristiques.

A plus forte énergie, le principal mécanisme devient « l’effet Compton » qui s’interprète comme la collision d’un gamma et d’un électron atomique. L’énergie initiale se partage après la collision entre l’électron et le photon. L’électron mis en mouvement perd son énergie par ionisation comme un électron bêta. Le nouveau gamma se propage sans déposer d’énergie jusqu’à ce qu’il interagisse à son tour.

Quand l’énergie du gamma est supérieure à un million d’électronvolts, un nouvel effet se manifeste : la production de paires. L’énergie du gamma sert à créer de la matière et de l’antimatière : un électron et son antiparticule, le positron. Le champ électrique intense du noyau sert de catalyseur. La production de paires l’emporte sur l’effet Compton à haute énergie, mais elle demeure marginale dans le domaine de la radioactivité et du nucléaire. Par contre, les photons gamma de haute énergie produits par un accélérateur ou présents dans le rayonnement cosmique interagissent principalement en se matérialisant en une paire électron-positron.

Atténuation des gamma :

Du fait des interaction, le nombre de gamma diminue avec l’épaisseur traversée. L’intensité d’un faisceau étroit de rayons gamma diminue de manière exponentielle avec cette épaisseur. Cette décroissance est caractérisée par un coefficient d’atténuation. L’atténuation est d’autant plus rapide que ce coefficient est élevé. Ce coefficient, directement lié aux  sections efficaces d’interaction des gamma, est une mesure de leur interaction avec la matière. Il est la somme des contributions de trois effets : l’effet photoélectrique, l’effet Compton et dans une moindre mesure la production de paires.

Avec de la chance (ou de la malchance !), des gamma individuels peuvent échapper longtemps à une interaction. Les rayons gamma sont donc très pénétrants et beaucoup plus difficiles à arrêter que des alpha et bêta qui ne peuvent dépasser un certain parcours. Dans les laboratoires et auprès des accélérateurs, l’habitude est de s’en protéger par des écrans en plomb, un matériau bon marché. La comparaison des probabilités d’interaction des gamma avec le carbone et avec le plomb montre en effet qu’elles sont beaucoup plus élevées avec un noyau lourd comme le plomb.

Les effets des rayons gamma sont beaucoup moins localisés que ceux des rayons alpha ou bêta. Ils se font sentir dans des volumes importants. C’est pourquoi les gamma du Cobalt-60 sont utilisés par exemple pour la stérilisation des aliments et la désinfection des momies. À faible dose, les gamma sont utilisés pour le diagnostic médical, car ils sont les moins nocifs en cas d’irradiations internes. C’est la raison pour laquelle, le technétium-99m, qui est l’un des rares noyaux uniquement émetteur gamma, est très recherché.