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Radioprotection |
Chapitre I: Interactions radiations-matière |
I.A Particules chargées
1) Ionisation directe.
Les "radiations" concernées ici sont les électrons, les positrons, les protons, les particules alphas et les noyaux de toute nature. La physique connaît d'autres particules chargées, comme le muon et le pion, mais elles ne font pas l'objet d'applications pratiques. Ces particules sont censées provenir de sources radioactives, d'accélérateurs de particules ou, indirectement, des phénomènes d'interaction des particules neutres qui seront décrits dans le prochain paragraphe. On fera ici l'hypothèse qu'elles forment un faisceau qui se propage dans l'air pour pénétrer ensuite un bloc de matière de nature quelconque où se produiront les interactions dont question ci-dessous. On supposera qu'à l'entrée dans la matière elles ont toutes la même énergie initiale E0, ce qui convient bien pour une première approche même si ce n'est certainement pas correct dans le cas de sources bêtas par exemple.
Comme souligné dans le sujet "physique nucléaire" la matière comporte essentiellement… du vide, en ce sens que la quasi-totalité de la masse est concentrée dans les noyaux atomiques qui n'occupent qu'une infime partie du volume. Quand une particule chargée pénètre un objet matériel, il se voit entouré d'autres entités chargées, les noyaux positifs et les électrons négatifs. Etant donné que les forces électriques s'exercent à distance, les interactions sont immédiates, que ce soit en attraction ou en répulsion. L'une des conséquences est que les électrons atomiques se voient, dès l'entrée et tout au long de la trajectoire, bousculés, portés vers des niveaux hauts ou éjectés de leurs orbites. Les particules chargées peuvent ainsi être qualifiées de directement ionisantes. S'il est vrai que ces interactions avec les électrons rencontrés dans la matière constituent la principale préoccupation dans le cadre de la radioprotection, ce qui se passe avec les noyaux est également très intéressant et fera l'objet d'une description séparée.
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Radioprotection |
Chapitre I: Interactions radiations-matière |
I.B Photons durs.
1)Ionisation indirecte.
On trouvera dans le sujet "radiologie conventionnelle", chapitre I.B, des rappels sur la nature des photons et le spectre électromagnétique. On y situe les rayons X, qui font partie de la composante dure du spectre, celle qui correspond à de hautes fréquences ou énergies et à de courtes longueurs d'ondes. En physique nucléaire, §III.A.3, on trouvera l'analogue pour les rayons gammas, qui appartiennent à la même famille.
La gamme des photons durs concernent la radioprotection en ce sens qu'ils sont ionisants. Elle commence en fait avec les ultra-violets (on sait que s'exposer au soleil n'est pas sans danger!) et se poursuit donc avec les rayons X et les rayons gammas. Ionisants, les photons durs le sont… indirectement. En effet, contrairement aux particules chargées qui dès leur entrée dans la matière peuvent agir à distance sur les électrons, les photons sont neutres électriquement et peuvent donc a priori pénétrer en profondeur sans que rien ne se passe (on rappellera ici que la matière est surtout faite… de vide!). Toutefois ils sont susceptibles à tout moment d'entrer ici ou là en interaction avec le milieu qu'ils traversent, au travers de divers phénomènes qui sont décrits ci-dessous et qui génèrent tous des particules chargées d'énergie plus ou moins haute, lesquelles particules chargées sont quant à elles directement ionisantes. Ces phénomènes étant purement aléatoires, ils peuvent parfois se produire très profondément, de sorte que du point de vue de la radioprotection il ne sera jamais question de se prémunir totalement de leurs effets mais plutôt de les réduire à un niveau acceptable. Ce sera vrai aussi pour le neutron, autre particule neutre de nature complètement différente.
2)Coefficient d'atténuation.
Les différents modes d'interaction décrits plus bas sont donc purement aléatoires. Chaque photon a à tout instant la même probabilité d'être ainsi absorbé… ou pas. Soit donc un faisceau mono-énergétique (tous les photons sont censés avoir la même énergie E), d'intensité initiale I0 et qui traverse un matériau homogène de densité ρ. La diminution d'intensité dI au travers d'une très petite épaisseur dx dépend de deux paramètres, dont l'un est évident puisqu'il s'agit de l'intensité I à l'entrée de la couche (pour un faisceau deux fois plus intense la perte d'intensité est double), et dont l'autre inclut les autres paramètres physiques: l'énergie des photons, la nature du matériau et sa densité. Ce deuxième paramètre est noté µ et est appelé coefficient d'atténuation, du photon d'énergie E dans le type de matière concernée.
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Radioprotection |
Chapitre I: Interactions radiations-matière |
I.C Neutrons.
1)Nature du neutron.
Par nature le photon est un objet électromagnétique qui de ce fait, et malgré son caractère neutre, interagit efficacement avec les composants atomiques et les charges libres. Le neutron n'a pas de charge lui non plus mais il est massif et composé, comme le proton, de trois quarks (il est fait de deux quarks down et d'un up alors que le proton est fait de deux up et un down; le up a une charge 2/3 et le down une charge -1/3). Il possède un moment dipolaire magnétique, mais le magnétisme nucléaire est faible et les dipôles n'agissent jamais à longue distance (voir IRM I.F). Le neutron est avant tout un baryon, donc un objet nucléaire très sensible à l'interaction forte, dont on sait que l'intensité est élevée mais la portée très courte, de l'ordre du fermi (voir Physique Nucléaire II.B).
Au total, quand un neutron pénètre la matière à haute vitesse, rien ne viendra a priori ralentir sa progression à moins qu'il ne vienne en contact mécanique avec un noyau qui se présente sur son chemin (parler de contact mécanique avec un électron a peu de sens et par ailleurs l'électron est insensible à la force nucléaire). Etant donné que les noyaux n'occupent qu'une infime partie du volume atomique (voir Physique Nucléaire II.A), la probabilité de choc est faible et on comprend ainsi que les neutrons sont capables de traverser de grandes épaisseurs de matière. Le problème de la radioprotection est que ces épaisseurs n'empêchent pas l'ionisation indirecte, générée par les interactions qui se produisent ici et là selon les modes décrits ci-dessous. La meilleure des défenses passe par l'usage de certains éléments et matériaux qui se révèlent plus efficaces que d'autres pour freiner et absorber les neutrons.