Rayonnement gamma

Un rayon gamma est un photon de haute énergie émis lors d’une transition nucléaire. Contrairement aux désintégrations alpha et bêta, une émission gamma ne change ni le nombre de masse A ni le numéro atomique Z : elle désexcite le noyau.

Une transition entre niveaux d’énergie nucléaires

L’émission gamma réduit l’énergie d’excitation du noyau sans modifier A ni Z. Le photon emporte essentiellement la différence d’énergie entre les deux niveaux.

E_γ ≈ E_initial − E_final

Les noyaux possèdent des états quantifiés. Un noyau produit dans un état excité peut rejoindre un niveau plus bas en émettant un photon gamma. Le recul du noyau emporte une petite part de l’énergie et de la quantité de mouvement.

Le gamma accompagne souvent une autre transformation nucléaire

Une désintégration alpha ou bêta peut laisser le noyau fils dans un état excité. Celui-ci émet alors un ou plusieurs photons gamma pour atteindre un état plus bas.

Il faut donc distinguer la transformation qui change A ou Z de la transition gamma qui suit éventuellement cette transformation.

L’atténuation suit une loi exponentielle simple dans un faisceau étroit

L’atténuation est probabiliste. Augmenter l’épaisseur réduit le nombre de photons transmis ; cela ne signifie pas que chaque photon survivant perd progressivement une fraction fixe de son énergie.

I(x) = I₀e^−μx

μ est le coefficient d’atténuation linéique du matériau à l’énergie considérée. Cette loi décrit la probabilité qu’un photon reste dans le faisceau primaire sans interaction.

Tester l’épaisseur d’un écran

Le modèle ci-dessous donne la fraction restante dans un faisceau étroit.

μ (cm⁻¹)Épaisseur x (cm)

—

Les photons gamma interagissent sans porter de charge

Selon l’énergie du photon et le matériau, les mécanismes dominants incluent l’effet photoélectrique, la diffusion Compton et, au-dessus du seuil correspondant, la création de paires électron-positon.

Un photon gamma peut donc parcourir une certaine distance sans interaction puis déposer une grande partie de son énergie en un événement. C’est très différent de la perte d’énergie quasi continue d’une particule alpha chargée.

Exercices résolus

1. Bilan A et Z

Un noyau excité émet uniquement un photon gamma. Que deviennent A et Z ?

Solution

Ils ne changent pas. Le noyau passe à un état d’énergie plus faible.

2. Atténuation

Avec μ = 0,20 cm⁻¹ et x = 5,0 cm, quelle fraction du faisceau reste-t-elle ?

Solution

I/I₀ = e⁻¹ ≈ 0,368, soit environ 36,8 %.

3. Deux épaisseurs identiques

Un écran réduit un faisceau à 50 %. Que produit une seconde épaisseur identique dans le même modèle ?

Solution

Elle réduit de nouveau la fraction restante de moitié : il reste 25 % du faisceau initial.