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.

Vu la complexité de ce dessin, il est évidemment commode de se contenter d'imaginer une oscillation simple le long de la direction de propagation.

Dans le vide cette perturbation se propage à une vitesse proche de 300.000 km/s. C'est une des grandes constantes de base de la physique et on la note "c". Dans la matière cette vitesse est divisée par une constante caractéristique de chaque matériau, son "indice de réfraction n": v=c/n.

La distance entre deux maximums successifs de l'onde est dite longueur d'onde λ. Le temps nécessaire à l'onde pour franchir la distance λ à la vitesse c est la période T de l'onde, de sorte que selon la loi simple du MRU (distance parcourue = vitesse x temps) on obtient λ=cT.

La notion de période n'est pas d'un usage courant. On lui préfère généralement son inverse, la fréquence f=1/T qui donc représente le nombre d'oscillations par seconde. La fréquence s'exprime en seconde^-1 , ou encore en Hertz (symbole Hz: le Hertz est le parfait équivalent de la seconde^-1 ). De λ=cT et f=1/T on tire facilement:

c = λf

Cette loi très simple est aussi très importante car elle montre que le produit λf ne peut bouger, puisque c est une constante. Donc les photons de haute fréquence sont  de courte longueur d'onde et les photons de basse fréquence sont de grande longueur d'onde.

2) Nature corpusculaire.

Dans le modèle corpusculaire, le photon est une particule sans masse et sans charge électrique. Il est vu comme une sorte de paquet d'énergie, un "quantum". La quantité d'énergie E_γ transportée ne dépend que de la fréquence f associée au photon. Plus précisément,E_γ est directement proportionnel à f selon la loi:

E_γ = hf

…où h = 6,62 10^-34 J.s est une constante (constante de Planck). En joignant ce point à la discussion du paragraphe précédent, on en arrive à la conclusion suivante: Les photons de basse fréquence sont des photons de grande longueur d'onde et de faible énergie ("photons mous"); ceux de haute fréquence sont de courte longueur d'onde et de haute énergie ("photons durs"). Comme le rappellera le point suivant, les rayons X sont des photons durs.

3) Place des rayons X dans le spectre électromagnétique.

Nous ne faisons ici que rappeler les différentes gammes habituellement vues dans le spectre électromagnétique, en situant clairement la place des rayons X. La description détaillée des sources et applications des photons "autres" sort du cadre de ce cours.

A noter que la frontière entre rayons X et rayons gamma est assez floue: Si on définit les rayons γ comme étant ceux qui sont générés par les noyaux atomiques, alors il faut reconnaître que certains se retrouvent dans la zone indiquée ci-dessus "rayons X".