Photographie/Rayonnements électromagnétiques/Rayons X et rayons gamma
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Bibliographie
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Rayons X
modifierLorsque l'on bombarde dans le vide une cible par un faisceau d'électrons à haute énergie, on obtient un rayonnement électromagnétique de fréquence élevée, dit rayonnement X, dont la composition dépend du métal bombardé. Ce rayonnement comporte un fond continu sur lequel viennent se superposer des raies spectrales caractéristiques.
La cathode K du tube à rayons X est un filament chauffé qui émet des électrons sous l'effet de la chaleur. Une tension accélératrice élevée, de 20 à 100 kV, est appliquée entre ce filament et la cible A, qui constitue l'anode mais que l'on appelle souvent anticathode. Il en résulte un courant d'électrons lancés à grande vitesse de K vers A. Lors du freinage de ces électrons par les atomes de la cible, le rayonnement X est émis avec un rendement toujours très faible, généralement moins de 1 %. L'énergie du faisceau est donc presque intégralement transformée en chaleur, ce qui nécessite un refroidissement efficace. Les premiers systèmes de production de rayons X étaient les tubes de Crookes, améliorés par la suite pour donner les tubes de Coolidge.
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Il est important de considérer que l'absorption et l'émission des rayons X sont deux phénomènes qui font intervenir non pas les électrons des couches périphériques des atomes, mais ceux des couches internes. Ces derniers n'interviennent pas dans les réactions chimiques, les quanta libérés sont fonction des seuls éléments chimiques, qu'ils soient ou non combinés pour former des molécules. Le rayonnement X est particulièrement intense lorsque l'on a affaire à des atomes lourds.
Quand un photon X frappe un atome, l'excitation produite peut provoquer l'émission d'un électron (c'est pour cela que l'on parle de rayonnements ionisants) en même temps que se produit l'émission d'un autre photon X de longueur d'onde toujours supérieure à celle du premier. La différence d'énergie de ces deux photons correspond à l'énergie d'arrachement de l'électron. Il s'agit là de l'effet Compton, dont il faut se méfier car il donne naissance à un rayonnement secondaire dont les effets sont le plus souvent nuisibles.
D'une manière générale l'absorption des rayons X croît avec le numéro atomique des éléments rencontrés et avec la longueur d'onde des rayons eux-mêmes. Par exemple, des rayons de longueur d'onde 0,002 nm peuvent traverser 10 cm de plomb mais une fine couche de ce métal arrête complètement le rayonnement de 0,1 nm. Les métaux légers sont facilement traversés, une plaque de béryllium de 0,5 mm d'épaisseur laisse passer 56 % des rayons de 0,25 nm tandis que 0,025 mm d'aluminium n'en transmettent que 27 %. Les muqueuses et les muscles, qui ne contiennent guère que des éléments légers (hydrogène Z = 1, carbone Z = 6, azote Z = 7, oxygène Z = 8), sont plus transparents que les os et les dents qui contiennent des éléments plus lourds (phosphore Z = 15 et calcium Z = 20), d'où les applications bien connues en radiologie médicale. L'ingestion d'un composé inerte de bismuth (Z = 83) ou d'iode (Z = 53) facilite respectivement l'examen radiologique des voies digestives et de la vésicule biliaire.
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Rayons γ
modifierL'émission de rayons γ est un phénomène purement nucléaire qui accompagne la désintégration de certains atomes radioactifs comme le radium, qui se décompose pour donner du radon et de l'hélium en émettant un photon de haute énergie :
Le radon, à son tour, se désintègre selon le même processus.
La radiographie par des rayons X très « durs » (de haute énergie) et la gammagraphie sont des techniques employées en métallurgie pour déceler, lors de contrôles non destructifs, d'éventuels défauts internes dans des pièces massives. Le radium est souvent avantageusement remplacé par des isotopes radioactifs tels que le cobalt 60 ou le chrome 51.
La radiographie et la gammagraphie métallurgiques demandent des précautions de sécurité draconiennes en raison de la nocivité considérable des radiations utilisées.
Applications
modifierElles sont étudiées dans le chapitre consacré aux techniques scientifiques
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