En physique nucléaire, les rayons gamma sont le rayonnement électromagnétique produit par la désintégration radioactive d’un noyau atomique. La lettre grecque minuscule γ les symbolise souvent.
Les autres types de rayonnement dans le spectre électromagnétique sont les rayons X, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet (UV). La seule différence entre eux est l'énergie des photons.
Un photon est une particule élémentaire qui est porteuse de toutes les formes de rayonnement électromagnétique.
Le rayonnement gamma est l'un des types de rayonnement à très haute fréquence les plus dangereux pour l'homme, comme le sont tous les rayonnements ionisants. Le danger vient du fait qu'il s'agit d'ondes de haute énergie capables de produire des changements moléculaires et d'endommager les molécules qui composent les cellules. Ces transformations peuvent provoquer des mutations génétiques, des cellules cancéreuses ou même la mort.
Paul Villard est le chimiste français responsable de la découverte des rayons gamma en 1900.
D'où viennent les rayons gamma ?
Généralement, ils sont associés à l'énergie nucléaire, aux réacteurs nucléaires et aux explosions nucléaires. Cependant, la radioactivité se trouve dans notre environnement naturel, des rayons cosmiques, qui nous bombardent du soleil et des galaxies en dehors de notre système solaire à certains isotopes radioactifs qui font partie de notre environnement naturel.
En général, les rayons gamma produits dans l'espace n'atteignent pas la surface de la Terre, car ils sont absorbés dans la haute atmosphère. Ces rayons gamma sont produits dans des phénomènes astrophysiques de haute énergie tels que des explosions de supernova ou des noyaux galactiques actifs.
A quoi servent les rayons gamma ?
Une grande variété d'applications utilisent des sources de rayonnement gamma. Voici quelques exemples:
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Des applications industrielles utilisent des sources radioactives pour la stérilisation des matériaux dans les installations d'irradiation.
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Applications médicales du traitement et du diagnostic pour détruire les cellules cancéreuses, par exemple. Les radiations gamma sont également utilisées pour stériliser les produits médicaux et vétérinaires.
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Traitements de conservation des aliments tels que la pasteurisation et la désinfection.
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Pour éliminer les micro-organismes qui transmettent des maladies ou détériorent les produits.
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Produits pharmaceutiques.
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Fabrication de cosmétiques.
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Traitement des déchets hospitaliers.
Caractéristiques des rayons gamma
Les rayons gamma sont plus pénétrants que les rayonnements provenant d'autres formes de désintégration radioactive (rayonnement alpha ou bêta) en raison de la moindre tendance à interagir avec la matière.
Le rayonnement gamma est constitué de photons : il s'agit d'une différence substantielle par rapport aux particules alpha, aux noyaux d'hélium et au rayonnement bêta, qui est constitué d'électrons. Les photons gamma, n'étant pas dotés de masse, sont moins ionisants.
A ces fréquences, la description des phénomènes d'interactions entre le champ électromagnétique et la matière ne peut ignorer la mécanique quantique.
Différence entre les rayons gamma et les rayons X
Les rayons gamma se distinguent des rayons X par leur origine : ils sont produits par des transitions nucléaires ou atomiques. D'autre part, les rayons X sont produits par des transitions électroniques qui provoquent la collision d’un électron avec un atome à haute vitesse.
Comment le rayonnement gamma interagit avec la matière ?
Lorsqu'un rayon gamma traverse la matière, les chances d'absorption dans une couche mince sont proportionnelles à la minceur de cette couche, ce qui entraîne une diminution exponentielle de l'intensité.
En traversant la matière, le rayonnement gamma s'ionise principalement de trois manières :
1. Effet photoélectrique
L'effet photoélectrique décrit le moment où un photon gamma interagit avec un électron atomique et lui transfère son énergie, éjectant ledit électron de l'atome. L'énergie cinétique du photoélectron résultant est égale aux photons incidents de haute énergie moins l'énergie de liaison de l'électron.
Cet effet est le mécanisme de transfert d'énergie dominant pour les rayons X et les photons gamma.
2. Effet Compton
Il fait référence à l'interaction où un photon gamma incident fait gagner suffisamment d'énergie à un électron atomique pour provoquer son éjection. Avec l'énergie restante du photon d'origine, un nouveau photon gamma de faible énergie est émis avec une direction d'émission différente de celle du photon gamma incident.
La probabilité de l'effet Compton diminue à mesure que l'énergie du photon augmente.
3. Création de paires
Du fait de l'interaction de la force de Coulomb au voisinage du noyau, l'énergie du photon incident est convertie en masse d'une paire électron-positon. Un positron est l'antiparticule équivalente à un électron ; il a la même masse que l' électron, mais il a une charge positive de force égale à la charge négative d'un électron.
La production d'une telle paire nécessite une énergie supérieure à la masse au repos des particules qui la composent.
Blindage contre les rayons gamma
Le blindage contre les rayons gamma nécessite des matériaux beaucoup plus épais que ceux nécessaires pour protéger les particules alpha (α) et bêta (β), qui peuvent être bloquées par une simple feuille de papier ou une fine plaque de métal.
L'énergie des rayons gamma a un pouvoir de pénétration important en raison de sa longueur d'onde la plus courte. La protection contre les rayons gamma requiert une quantité considérable de matière. Les matériaux à numéro atomique élevé et à haute densité ont une plus grande capacité à absorber le rayonnement gamma.
Les matériaux de blindage sont généralement mesurés en fonction de l'épaisseur requise pour réduire de moitié l'intensité du rayonnement. Par exemple, pour réduire l’intensité du rayonnement gamme de 1 MeV en un 50 %, on nécessite 9 cm de terre, 6 cm de béton ou 1 cm de plomb.
Dans les centrales nucléaires, l'acier et le ciment sont utilisés pour protéger l'enceinte de confinement des particules gamma. De plus, l'eau protège des radiations produites lors du stockage des crayons de combustible nucléaire ou du transport du cœur du réacteur nucléaire.