I.B. Nature des rayons X 

Les rayons X sont des photons, à savoir des objets électromagnétiques dépourvus de masse de même nature que la lumière, les ondes radio,… (voir ci-dessous le "spectre électromagnétique"). Les photons se comportent tantôt comme une onde, tantôt comme des corpuscules; on dit qu'ils possèdent une "double nature", ondulatoire et corpusculaire, et par là on entend que selon le phénomène étudié nous devons faire appel à un modèle ou à l'autre. Par exemple, les phénomènes d'interférence ne se comprennent qu'en y voyant des ondes, alors que l'effet photoélectrique ne peut se décrire qu'en termes  de particules.

1) Nature ondulatoire.

Dans le modèle ondulatoire de la lumière, nous devons imaginer un champ électrique E oscillant dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation et un champ magnétique B oscillant au même rythme dans la troisième dimension.

I.C. Spectre de rayons X émis par impact d'un faisceau d'électrons

               N.B.: en radiologie, la cible du faisceau d'électrons (anode du tube) est souvent faite de tungstène W ou de molybdène Mo (mammographie). Ces choix de matériau seront justifiés plus loin.

1) Spectre à l'émission.

Comme cela a été dit au §I.A,  des électrons accélérés sous une différence de potentiel V acquièrent tous en bout de course la même énergie cinétique E_e = eV (100.000 volts donnent 100.000 eV, etc…). Quand les électrons ainsi accélérés heurtent une cible ils génèrent des rayons X qui, quant à eux, sont loin d'avoir tous la même énergie: Ils présentent une distribution en énergie, ou "spectre", qu'il s'agit de bien comprendre si on veut maîtriser les paramètres de la radiologie.

Quand les électrons pénètrent dans la matière à haute vitesse, ils y rencontrent deux types d'objets: Les noyaux atomiques d'une part et les électrons d'autre part. Ces deux types d'interaction ont des effets différents et remarquables (voir aussi, à ce sujet, la partie "radioprotection").

I.D. Atténuation d'un faisceau de rayons X dans la matière.

1) Le coefficient d'atténuation µ.

a) Intensité transmise et coefficient d'atténuation.

Quand un photon traverse un obstacle matériel, il a toujours une certaine chance de passer au travers sans perdre ses propriétés. Toutefois il y a aussi une certaine probabilité qu'il interagisse au travers d'un des processus qui seront rappelés ci-dessous, et cette probabilité augmente avec l'épaisseur à franchir.

Lorsqu'un faisceau d'intensité I₀ tombe ainsi sur un écran matériel, l'ensemble des photons qui traversent le tout sans interaction forment la partie transmise du faisceau, d'intensité I_T. Le défaut d'intensité I₀ – I_T est la partie absorbée dont l'importance dépend de l'épaisseur mais aussi de la nature du matériau traversé.

En radiologie, le corps humain et le film d'enregistrement de l'image peuvent être vus comme deux obstacles matériels sur le chemin du faisceau. Pour le premier on essayera d'obtenir une intensité transmise fortement modulée selon la nature des tissus traversés (contraste) tout en minimalisant la partie absorbée (dose absorbée). Pour le second on essayera d'avoir l'absorption la plus élevée (sensibilité du film) et la plus homogène possible (mais ce dernier point va presque de soi: les films présentent des propriétés qui ne varient pas beaucoup d'un point à l'autre).

Pour décrire quantitativement l'atténuation d'un faisceau, le mieux est d'imaginer une intensité I traversant un matériau homogène de très petite épaisseur dx. La très petite diminution d'intensité dI obtenue dépendra évidemment de I et de dx mais aussi de l'efficacité avec laquelle le matériau traversé agit sur les photons, ce qu'on fait apparaître au travers d'un paramètre noté µ et appelé "coefficient d'atténuation" du matériau concerné: