Rayon gamma
Rayon gamma, rayonnement électromagnétique de la plus courte longueur d’onde et de la plus haute énergie.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Les rayons gamma sont produits lors de la désintégration des noyaux atomiques radioactifs et lors de la désintégration de certaines particules subatomiques. Les définitions communément admises des régions des rayons gamma et des rayons X du spectre électromagnétique comprennent un certain chevauchement des longueurs d’onde, les rayons gamma ayant des longueurs d’onde généralement inférieures à quelques dixièmes d’angström (10-10 mètre) et les photons des rayons gamma ayant des énergies supérieures à des dizaines de milliers d’électronvolts (eV). Il n’y a pas de limite supérieure théorique aux énergies des photons gamma ni de limite inférieure aux longueurs d’onde des rayons gamma ; les énergies observées s’étendent actuellement jusqu’à quelques trillions d’électron-volts – ces photons d’extrêmement haute énergie sont produits dans des sources astronomiques par des mécanismes actuellement non identifiés.
Le terme rayon gamma a été inventé par le physicien britannique Ernest Rutherford en 1903 à la suite des premières études sur les émissions des noyaux radioactifs. Tout comme les atomes ont des niveaux d’énergie discrets associés à différentes configurations des électrons en orbite, les noyaux atomiques ont des structures de niveaux d’énergie déterminées par les configurations des protons et des neutrons qui constituent les noyaux. Alors que les différences d’énergie entre les niveaux d’énergie atomiques se situent généralement entre 1 et 10 eV, les différences d’énergie dans les noyaux se situent généralement entre 1 keV (mille électrons-volts) et 10 MeV (millions d’électrons-volts). Lorsqu’un noyau effectue une transition d’un niveau d’énergie élevé à un niveau d’énergie plus faible, un photon est émis pour emporter l’énergie excédentaire ; les différences de niveau d’énergie nucléaire correspondent aux longueurs d’onde des photons dans la région des rayons gamma.
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Lorsqu’un noyau atomique instable se désintègre en un noyau plus stable (voir radioactivité), le noyau « fille » est parfois produit dans un état excité. La relaxation subséquente du noyau fille vers un état de plus faible énergie entraîne l’émission d’un photon de rayon gamma. La spectroscopie gamma, qui consiste à mesurer précisément l’énergie des photons gamma émis par différents noyaux, permet d’établir les structures des niveaux d’énergie nucléaire et d’identifier des éléments radioactifs à l’état de traces grâce à leurs émissions de rayons gamma. Les rayons gamma sont également produits dans l’important processus d’annihilation de paires, dans lequel un électron et son antiparticule, un positron, disparaissent et deux photons sont créés. Les photons sont émis dans des directions opposées et doivent transporter chacun 511 keV d’énergie – l’énergie de la masse au repos (voir masse relativiste) de l’électron et du positron. Les rayons gamma peuvent également être générés lors de la désintégration de certaines particules subatomiques instables, comme le pion neutre.
Les photons gamma, comme leurs homologues à rayons X, sont une forme de rayonnement ionisant ; lorsqu’ils traversent la matière, ils déposent généralement leur énergie en libérant les électrons des atomes et des molécules. Dans les plages d’énergie inférieures, un photon gamma est souvent complètement absorbé par un atome et l’énergie du rayon gamma est transférée à un seul électron éjecté (voir effet photoélectrique). Les rayons gamma de plus haute énergie sont plus susceptibles de se disperser à partir des électrons atomiques, déposant une fraction de leur énergie dans chaque événement de diffusion (voir effet Compton). Les méthodes standard de détection des rayons gamma sont basées sur les effets des électrons atomiques libérés dans les gaz, les cristaux et les semi-conducteurs (voir mesure du rayonnement et compteur à scintillation).
Les rayons gamma peuvent également interagir avec les noyaux atomiques. Dans le processus de production de paires, un photon gamma d’une énergie supérieure à deux fois l’énergie de masse au repos de l’électron (supérieure à 1,02 MeV), lorsqu’il passe à proximité d’un noyau, est directement converti en une paire électron-positron (voir photographie). A des énergies encore plus élevées (supérieures à 10 MeV), un rayon gamma peut être directement absorbé par un noyau, provoquant l’éjection de particules nucléaires (voir photodésintégration) ou la scission du noyau dans un processus connu sous le nom de photofission.
Avec l’aimable autorisation du Lawrence Berkeley Laboratory, l’Université de Californie, Berkeley
Les applications médicales des rayons gamma comprennent la précieuse technique d’imagerie de la tomographie par émission de positons (TEP) et des radiothérapies efficaces pour traiter les tumeurs cancéreuses. Lors d’une TEP, un produit pharmaceutique radioactif émetteur de positons à courte durée de vie, choisi en raison de sa participation à un processus physiologique particulier (par exemple, la fonction cérébrale), est injecté dans l’organisme. Les positons émis se combinent rapidement avec les électrons proches et, par annihilation de paires, donnent naissance à deux rayons gamma de 511 keV se déplaçant dans des directions opposées. Après détection des rayons gamma, une reconstruction par ordinateur des emplacements des émissions de rayons gamma produit une image qui met en évidence l’emplacement du processus biologique examiné.
En tant que rayonnement ionisant à pénétration profonde, les rayons gamma provoquent des changements biochimiques importants dans les cellules vivantes (voir lésion par rayonnement). Les radiothérapies utilisent cette propriété pour détruire sélectivement les cellules cancéreuses dans de petites tumeurs localisées. Des isotopes radioactifs sont injectés ou implantés à proximité de la tumeur ; les rayons gamma qui sont émis en continu par les noyaux radioactifs bombardent la zone touchée et arrêtent le développement des cellules malignes.
Les relevés aériens des émissions de rayons gamma à la surface de la Terre permettent de rechercher des minéraux contenant des éléments radioactifs à l’état de traces comme l’uranium et le thorium. La spectroscopie gamma aérienne et terrestre est employée pour soutenir la cartographie géologique, l’exploration minière et l’identification de la contamination environnementale. Les rayons gamma ont été détectés pour la première fois à partir de sources astronomiques dans les années 1960, et l’astronomie gamma est désormais un domaine de recherche bien établi. Comme pour l’étude des rayons X astronomiques, les observations des rayons gamma doivent être effectuées au-dessus de l’atmosphère terrestre fortement absorbante, généralement à l’aide de satellites en orbite ou de ballons à haute altitude (voir télescope : télescopes à rayons gamma). Il existe de nombreuses sources astronomiques de rayons gamma intrigantes et mal comprises, notamment de puissantes sources ponctuelles provisoirement identifiées comme des pulsars, des quasars et des restes de supernova. Parmi les phénomènes astronomiques inexpliqués les plus fascinants, on trouve les sursauts gamma, des émissions brèves et extrêmement intenses provenant de sources apparemment distribuées de manière isotrope dans le ciel.