Interactions des rayonnements ionisants avec la matière

Introduction

Les rayonnements ionisants (RI) sont des rayonnements susceptibles d'arracher des électrons à la matière. Leur interaction avec la matière correspond presque toujours à un transfert d'énergie, dont dépendent à la fois les effets biologiques des rayonnements et les principes de l'imagerie médicale. Ce chapitre fait directement suite à celui sur la radioactivité : les particules et photons produits par les transformations nucléaires vont maintenant interagir avec la matière qu'ils traversent — tissus biologiques, détecteurs, écrans de protection. Comprendre ces mécanismes est indispensable pour aborder ensuite la radiobiologie, la radiopathologie, la détection des rayonnements et la radioprotection. Nous étudierons successivement les généralités et la classification des rayonnements ionisants, les interactions des particules chargées, les interactions des photons (les trois effets élémentaires et l'atténuation), puis les interactions des neutrons.

I. Généralités et classification

A. Classification des rayonnements ionisants

• Les RI sont classés en RI DIRECTEMENT IONISANTS (particules chargées) et RI INDIRECTEMENT IONISANTS (rayons X, γ, neutrons, UV énergétiques).

• L'interaction d'un rayonnement avec la matière dépend de trois facteurs : la NATURE du rayonnement, son ÉNERGIE, et la NATURE (numéro atomique Z) de la matière traversée.

B. Transfert linéique d'énergie (TEL) et densité linéique d'ionisation (DLI)

• Le TRANSFERT LINÉIQUE D'ÉNERGIE (TEL) est l'énergie dE transférée au milieu par unité de longueur dL traversée : TEL = dE / dL, exprimé en KeV/µm dans l'eau.
• La DENSITÉ LINÉIQUE D'IONISATION (DLI) est le nombre de paires d'ions créées par unité de longueur : DLI = TEL / W, où W est l'énergie nécessaire pour créer une paire d'ions.
• Le TEL est d'autant plus élevé, à énergie cinétique égale, que la particule a une CHARGE plus grande, une MASSE plus élevée, et donc une VITESSE plus faible — d'où le TEL très élevé des particules chargées lourdes.

II. Interactions des particules chargées avec la matière

Les interactions des particules chargées (PC) avec la matière correspondent à des attractions et répulsions, à l'origine d'excitations et d'ionisations des atomes du milieu.

A. Particules chargées lourdes (PCL)

• Pour les PCL, les interactions sont à caractère OBLIGATOIRE et se font essentiellement avec les ÉLECTRONS du milieu ; les interactions avec les noyaux sont d'importance SECONDAIRE.
• Interactions coulombiennes INÉLASTIQUES (dominantes) : transfert d'énergie à la matière, avec ionisations (électron secondaire dit électron delta, éδ) et excitations électroniques. Les interactions ÉLASTIQUES se font sans transfert d'énergie.
• La trajectoire des PCL reste RECTILIGNE ou peu modifiée (leur masse est très supérieure à celle de l'électron). En fin de parcours, la DLI AUGMENTE tandis que la vitesse DIMINUE — c'est le pic de BRAGG, exploité en radiothérapie par faisceaux de protons pour concentrer la dose sur la tumeur.

B. Particules chargées légères

• Interactions avec les électrons atomiques : « collision » avec excitation ou arrachement (ionisation), suivie d'une succession de déviations par répulsion coulombienne — trajectoire en LIGNES BRISÉES, à la différence de la trajectoire rectiligne des PCL.

• Interactions avec les noyaux atomiques : l'électron incident, dévié dans le champ coulombien du noyau, perd de l'énergie cinétique RAYONNÉE sous forme électromagnétique — c'est le RAYONNEMENT DE FREINAGE, à l'origine des rayons X produits dans les tubes radiogènes.
• Exemple numérique : pour un électron incident de 6 MeV, le TEL est de l'ordre de 0,25 KeV/µm dans l'eau, pour un parcours de 2 cm.

III. Interactions des photons avec la matière

A. Généralités

• Les rayons X sont émis par freinage d'un faisceau d'électrons, ou lors du retour à l'état fondamental d'un atome excité — origine ÉLECTRONIQUE. Les rayons γ sont émis par un noyau lors d'une transition d'un état excité vers un état stable — origine NUCLÉAIRE.
• L'interaction des photons avec la matière est de caractère ALÉATOIRE (contrairement aux PC, dont l'interaction est quasi obligatoire). Énergie du photon : E = hν, avec ν = c / λ.

B. Atténuation d'un faisceau de photons

• Les photons X ou γ sont enlevés du faisceau incident par une SEULE interaction (absorption ou diffusion), contrairement aux particules chargées qui perdent leur énergie progressivement.
• Loi d'atténuation exponentielle : N(x) = N₀·e^(−µx), où µ est le coefficient d'atténuation linéaire total (cm⁻¹) et x l'épaisseur de matière traversée. En intensité : I(x) = I₀·e^(−µx).
• Couche de demi-atténuation (CDA) : épaisseur qui atténue de moitié l'intensité du faisceau incident. CDA = ln2 / µ, avec ln2 = 0,69.

• Le coefficient massique d'absorption µ/ρ dépend du numéro atomique Z de la cible et de l'énergie hν du photon incident, ρ étant la masse volumique du matériau.

C. Les trois phénomènes élémentaires d'interaction photon-matière

Trois processus d'interaction des photons avec la matière sont à connaître : l'EFFET PHOTOÉLECTRIQUE, l'EFFET COMPTON et la PRODUCTION DE PAIRES.

1. Effet photoélectrique

• Le photon incident cède TOUTE son énergie hν à un électron ATOMIQUE (lié, couches K+++, L++, M+…). Une partie sert à l'arracher (El), le reste devient énergie cinétique : Ec = hν − El. Condition : hν > El.
• Phénomènes secondaires : réorganisation du cortège électronique, avec émission de photons X de fluorescence et d'électrons Auger — identiques à ceux vus après capture électronique ou conversion interne.
• Probabilité d'interaction : τ = k·Z³/E³ — AUGMENTE avec Z, DIMINUE avec l'énergie E. Prédominant jusqu'à E = 0,5 MeV, pour des cibles à Z ÉLEVÉ.

2. Effet Compton

• Interaction d'un photon hν avec un électron LIBRE (ou faiblement lié) de la matière. L'électron est projeté selon un angle φ (0° à 90°) ; le photon est diffusé (hν' = hν − Ec) selon un angle θ (0° à 180°).
• Probabilité (coefficient σc) quasi INDÉPENDANTE du matériau cible, INVERSEMENT PROPORTIONNELLE à l'énergie hν incidente : σc = K·Z/hν.
• Prédominant pour les CIBLES LÉGÈRES (Z faible) et les photons d'énergie > 0,5 MeV — donc pour les tissus biologiques aux énergies utilisées en radiodiagnostic et radiothérapie.

3. Production de paires (matérialisation)

• Possible seulement si l'énergie du photon incident E ≥ 1,022 MeV (= 2 masses d'électron). Disparition du photon incident, création d'une paire (e⁻, e⁺). L'excédent d'énergie (E − 1,022) est réparti en énergie cinétique : Ec(e⁺) + Ec(e⁻).
• Le positon (e⁺) créé s'annihile ensuite avec un électron du milieu, avec émission de 2 photons γ de 511 KeV, même direction, sens opposés — identique à l'effet secondaire du β⁺.
• Probabilité (coefficient π) PROPORTIONNELLE à Z², croît lentement avec l'énergie hν incidente.

D. Coefficient d'atténuation total et prépondérance des effets

• Coefficient d'atténuation linéaire global : µ = τ (photoélectrique) + σc (Compton) + π (production de paires). De même pour le coefficient massique : µ/ρ = τ/ρ + σc/ρ + π/ρ.

IV. Interaction des neutrons avec la matière

• Le neutron a une masse quasi égale à celle du proton et une charge NULLE, ce qui explique ses deux modes d'interaction, distincts de ceux des particules chargées.
• Absorption des neutrons par les noyaux — effet des neutrons LENTS. Le neutron est absorbé par le noyau, qui émet alors soit une particule alpha, soit un proton, soit un rayon gamma, soit subit une FISSION en deux noyaux f1 et f2.
• Diffusion des neutrons — effet des neutrons RAPIDES, qui perdent leur énergie cinétique par chocs successifs avec des noyaux du milieu, d'autant plus efficacement que la masse du noyau cible est proche de la leur. Exemple : le noyau d'HYDROGÈNE est utilisé pour ralentir les neutrons rapides.

Conclusion

L'interaction des rayonnements ionisants avec la matière dépend de la nature du rayonnement, de son énergie et du numéro atomique Z de la cible. Les particules chargées lourdes interagissent de façon quasi obligatoire, avec une trajectoire rectiligne et un pic de Bragg en fin de parcours ; les particules chargées légères ont une trajectoire en lignes brisées et produisent un rayonnement de freinage au contact des noyaux. Les photons, eux, interagissent de façon aléatoire, selon une loi d'atténuation exponentielle N(x) = N₀e^(−µx), caractérisée par la CDA = ln2/µ. Trois effets élémentaires gouvernent cette atténuation photonique : l'effet photoélectrique (Z³/E³, prédominant à basse énergie et Z élevé), l'effet Compton (en 1/hν, prédominant à haute énergie et Z faible) et la production de paires (seuil à 1,022 MeV, en Z²). Les neutrons, non chargés, interagissent différemment : absorption pour les neutrons lents, diffusion pour les neutrons rapides. Ces mécanismes de transfert d'énergie sont le point de départ direct des effets biologiques étudiés au chapitre suivant : la radiobiologie.