Interaction des rayons gamma et X avec la matière

Comme expliqué dans un précédent article, les particules α et β- interagissent avec la matière jusqu’à épuisement de leur énergie. 

Pour les rayonnements électromagnétiques ionisants, c’est-à-dire, les rayons γ et les rayons X, c’est différent ! 

Les rayons électromagnétiques ont deux comportements : soit ils cèdent toute leur énergie à la matière, soit ils n’interagissent pas avec la matière et donc « passent à travers ».

Effet photoélectrique

L’effet photoélectrique apparaît quand un rayon γ ou X rencontre un électron proche du noyau. 

Le rayon incident transfère toute son énergie à l’électron et disparaît.

L’électron se retrouve alors éjecté du cortège car l’énergie transférée est plus forte que son énergie de liaison. En général, cet électron (particule β-) est dévié après l’interaction et interagit à son tour dans la matière, en transférant son énergie par ionisation, excitation et peut-être par freinage. 

Mais lors de la première interaction, trois événements vont se produire successivement, car l’électron est proche du noyau : 

1. l’atome se retrouve sous forme ionisée (a).
2. cette ionisation (primaire) est suivie d’un réarrangement en cascade du cortège électronique de l’atome (b)
3. un photon (rayon X de fluorescence) est alors émis (c) ou bien un électron d’une couche encore plus périphérique est expulsé (d). 

L’effet photoélectrique est plus probable avec des matériaux à numéros atomiques Z élevés.

Effet Compton

À plus forte énergie, le principal mécanisme devient l’effet Compton : le rayon incident transfère toute son énergie à un électron faiblement lié d’une couche externe. Il est donc plus facilement éjecté, et emporte avec lui une partie de l’énergie du rayon électromagnétique incident. Cet électron est diffusé suivant une direction φ et perdra son énergie par ionisation comme une particule β-.

Le réarrangement au niveau du cortège est sans incidence notable puisque les énergies mises en jeu sont très faibles au niveau des couches externes.

Le reste de l’énergie du rayon incident va donner naissance à un rayon électromagnétique diffusé selon un angle θ. Sa trajectoire sera différente de celle du rayon incident. Et, dans certains cas, on observe une rétrodiffusion, c’est-à-dire une émission à 180° de la trajectoire initiale.

Notons que l’effet Compton est celui qui est le plus probable dans la matière. En radiothérapie, il doit être maîtrisé et limité pour éviter des émissions d’électrons et de photons dans des directions non souhaitées et dangereuses aussi bien pour les patients que pour le personnel médical.

Protection externe contre les rayons gamma et X

En utilisant des écrans de protection constitués de matériaux très denses, on favorise les interactions des rayonnements électromagnétiques dans l’écran, particulièrement par effet photoélectrique.

Ainsi, le matériau le plus communément utilisé pour se protéger des rayons γ et X est le plomb.

En radiologie, la protection principale sera l’utilisation de tablier plombé. En fonction de la présence obligatoire du manipulateur auprès du patient (pour certains examens spécifiques), des équipements complémentaires pourront être portés, tels que des lunettes en verre plombé, des caches thyroïdes, des caches gonades ou encore des gants plombés.

Pour la manipulation de radionucléides susceptibles de produire des rayonnements X et/ou γ, il conviendra également d’utiliser des équipements de protection personnelle, tels que les tabliers plombés. Les instruments seront également conçus pour limiter l’exposition externe. Par exemple, en médecine nucléaire, les injections de technétium-99m sont réalisées avec des protèges-seringues en plomb et les solutions seront placées dans des protège-flacons en verre au plomb.