PROPRIETES ET DIFFUSION

DES RAYONS X

Comme nous venons de le voir, certains atomes de l’anode, sous l’action du choc des électrons du faisceau cathodique, sont ionisés, c’est-à-dire qu’un électron gravitant autour du noyau est expulsé. La place ainsi rendue libre est occupée par un électron d’une orbite plus éloignée du noyau : ce saut est accompagné de l’émission d’un photon dans lequel se retrouve l’énergie que l’électron a perdu en se rapprochant du noyau.

L’interaction des rayons X et de la matière est conditionnée par les valeurs de leurs longueurs d’onde et de l’énergie du photon par rapport, d’une part, aux dimensions des atomes et, d’autre part, aux énergies de liaison des électrons atomiques (qui est l'énergie nécessaire pour "arracher" l'électron de l'atome).

Absorption des rayons X dans la matière

L’absorption des rayons X dans la matière se traduit par la diminution de l’intensité du faisceau traversant un écran. Les photons disparus du faisceau transmis sont soit déviés par diffusion, soit transformés par choc sur les atomes, donc réellement absorbés par la matière par effet photoélectrique.

Le cœfficient massique -µ- d’absorption d’un écran est défini par:

où dI est la variation de l’intensité du faisceau incident d’intensité I et dp est la masse par centimètre carré de l’écran.

L’absorption des rayons X est un phénomène atomique : pour un composé, elle est simplement la somme des absorptions des éléments constituants ; elle ne dépend donc pas de leurs modes de liaison. Ainsi, le plomb du cristal (verre au plomb) produit la même absorption qu’une lame de plomb métallique contenant la même quantité de plomb que le verre par unité de surface.

L’absorption de toute substance est donc aisément calculable à partir des tables donnant les cœfficients pour les éléments en fonction de la longueur d’onde. D’une façon générale, le cœfficient d’absorption croît avec le nombre atomique (à peu près comme Z³ avec Z le numéro atomique c'est-à-dire le nombre de protons que possède l'atome) et avec la longueur d’onde.

Les rayons durs, de courte longueur d’onde, peuvent traverser des épaisseurs de matière considérables sans être complètement éteints, et c’est cette propriété, jugée extraordinaire quand on ne connaissait que la lumière, qui a attiré d’abord l’attention sur les rayons X.

Diffusion des rayons X par la matière

Toute matière touchée par les rayons X émet un rayonnement secondaire dont la longueur d’onde est égale à celle du rayonnement primaire, ou très voisine: ce sont les rayons diffusés. En général, pour les rayons X de longueur d’onde moyenne, l’énergie diffusée est faible. Le phénomène n’en est pas moins d’une importance primordiale.

Une des principales propriétés des rayons X est leur pouvoir pénétrant. Les longueurs d'onde des rayons X, comprises entre 10^-7 et 10^-11, sont proches des distances inter atomiques, ce qui permet le passage du rayonnement à travers la matière, alors qu'un rayonnement de plus grande longueur d'onde se trouve réfléchi par la surface du matériau étudié.

Lorsqu'un rayonnement traverse de la matière (le corps humain par exemple), il subit un affaiblissement ou atténuation. Celle-ci est fonction non seulement de l'énergie du faisceau mais aussi de la nature du milieu traversé et de son épaisseur. Cette perte d'énergie se fait essentiellement selon deux principes qui s’associent:

L'effet Compton (découvert en 1926 par Arthur H. Compton), qui consiste en un phénomène de diffusion des photons en raison de leur changement de direction lorsqu'ils heurtent les électrons libres ou peu liés de certains atomes de la substance traversée. Cette atténuation, qui est proportionnelle au volume traversé, sera d'autant plus faible que l'énergie des photons incidents sera élevée. Ce volume est responsable du rayonnement diffusé qui provoque une dégradation du contraste de l'image.

L'effet photoélectrique qui consiste en l'absorption totale du photon incident dont l'énergie est transmise à un électron de la matière traversée lui-même expulsé. L'atome, instable car ionisé, émet des photons de fluorescence pour retrouver son état d'équilibre. Ce type d'atténuation sera d'autant plus important que la densité de la matière traversée et que son volume ou son épaisseur sont importants.

Chaque faisceau de rayons X émis par l'anode du tube à rayons X va donc subir une atténuation par un double phénomène d'absorption et de diffusion. Dans l'organisme humain, différents composants ont des densités très diverses. L'os, par exemple, très lourd sera très atténuant alors que le muscle plus léger sera peu atténuant. C'est cette différence d'atténuation (ou, par extension, de contraste) qui est à la base de l'imagerie radiographique standard.

Des propriétés des rayons X découle un certain nombre d'applications qui en font l'importance pratique.