COMPTON (EFFET)

COMPTON (EFFET)
COMPTON (EFFET)

Les rayonnements électromagnétiques de haute énergie (rayons X et 塚) interagissent avec la matière selon trois processus: effet photoélectrique; création de paires électrons-positrons; enfin, diffusion élastique des photons sur des électrons libres ou peu liés, appelée effet Compton. Celui-ci est dû à l’interaction d’un rayon X ou d’un rayon 塚 avec un électron. Il s’interprète par la réaction de diffusion élastique d’un photon par l’électron, illustrant ainsi l’aspect corpusculaire de la lumière. Le photon secondaire possède une énergie inférieure à celle du photon primaire, donc une longueur d’onde plus élevée. Ce phénomène simple, découvert par A. H. Compton en 1923, ne fait intervenir que des forces électromagnétiques. La mécanique quantique a rapidement permis d’en établir une théorie précise que résume la formule de Klein-Nishina. Longtemps les moyens techniques furent insuffisants pour permettre la vérification précise des hypothèses concernant l’effet Compton.

Il a fallu attendre les années 1950-1954 pour que les expériences fournissent des résultats concluants. On présentera l’une d’elles, qui utilisait comme source le rayonnement de freinage émis par les électrons d’un bêtatron lors de leur ralentissement dans une cible. L’effet Compton est ensuite demeuré quelque temps un sujet de recherche. Certaines expériences furent effectuées avec des électrons non plus au repos mais animés de vitesse relativiste. Enfin, il faut souligner que le nom de Compton est désormais associé à la diffusion élastique des photons sur des particules en général; par exemple la diffusion Compton à très haute énergie sur des protons. Le processus d’interaction est beaucoup plus complexe. En effet, on sait que le proton n’est pas une particule élémentaire (au contraire de l’électron) et qu’il est constitué de trois quarks. Le photon peut être alors considéré comme une sonde électromagnétique avec laquelle on étudie la «matière protonique».

Sur le plan pratique, l’effet Compton intervient lorsque l’on cherche à détecter des photons. Cependant, il présente plus d’inconvénients que d’avantages, au contraire de son concurrent, l’effet photoélectrique. Ainsi, lors de radiographie, l’effet Compton donne un fond uniforme venant ternir la photographie qui reflète l’interaction des photons avec les différentes parties du corps selon l’effet photoélectrique.

Aspect corpusculaire de la lumière

Les premières mesures précises concernant la diffusion des rayonnements électromagnétiques par la matière furent effectuées par Hewlett à l’aide d’un faisceau de rayons X mous (peu énergiques). Il existait déjà une théorie de la diffusion, inventée par J. J. Thomson. Elle était fondée sur des mouvements oscillatoires des électrons atomiques induits par le rayonnement primaire, entraînant l’émission d’un rayonnement secondaire de même longueur d’onde. Les résultats de Hewlett semblaient en accord avec cette théorie.

Compton utilisa des faisceaux de rayons X durs et des rayons 塚. Les mesures d’intensité se révélèrent en contradiction avec la théorie précédente et, de plus, il observa pour la première fois le changement de la longueur d’onde du rayonnement diffusé. Indépendamment, Compton et Debye interprétèrent ce nouvel effet par une diffusion élastique d’un photon par un électron libre. Cette expérience illustrait parfaitement l’aspect corpusculaire de la lumière. L’application des lois de conservation de l’énergie et de l’impulsion conduit à la relation de l’effet Compton (fig. 1):

h est la constante de Planck, m e la masse de l’électron, c la vitesse de la lumière. La quantité h/m ec = 0,242 6 nm est appelée longueur d’onde de Compton associée à l’électron.

Les résultats expérimentaux étaient en parfait accord avec cette relation. Ces travaux furent très célèbres (Compton obtint le prix Nobel de physique en 1927, à l’âge de trente-cinq ans).

Il faut remarquer que ce phénomène n’est pas seul responsable de la diffusion des photons par la matière. Les diffusions Thomson et Rayleigh y contribuent également, mais, dans ces deux processus, la longueur d’onde du rayonnement secondaire est identique à celle du rayonnement primaire.

Succès de l’électrodynamique quantique

La description théorique de l’effet Compton est fournie actuellement par la mécanique quantique relativiste appelée également théorie des champs. L’interaction entre le photon et l’électron étant purement électromagnétique, ce problème fut rapidement résolu et la solution est fréquemment citée pour illustrer le succès de cette nouvelle mécanique. Cette interaction se traduit par une série de réactions dont celle qui est prépondérante peut être représentée par le schéma appelé graphe de Feynmann (fig. 2).

La probabilité du phénomène en fonction de l’angle de diffusion du photon est calculable à l’aide des règles de Feynmann. C’est une arithmétique simple qui permet d’associer à ce graphe une amplitude dont le carré est proportionnel à la probabilité cherchée.

Le résultat constitue la formule de Klein-Nishina:

dans laquelle k et k sont les énergies des photons, r 0 = 2,8 fois le rayon classique de l’électron et l’angle de diffusion du photon.

Elle rend compte parfaitement des observations.

Mise en évidence de la réaction de diffusion

Les expériences ont eu pour principal objet la mise en évidence de la réaction de diffusion, en détectant les électrons de recul, en constatant la coïncidence entre l’émission du photon et de l’électron secondaire et, enfin, en vérifiant la loi de conservation de l’énergie et de l’impulsion.

La première confirmation du phénomène fut donnée par l’observation des électrons de recul, à l’aide d’une chambre à brouillard, par Wilson et Bothe. La détermination de la valeur limite supérieure de l’intervalle de temps séparant l’émission du photon de celle de l’électron était autrefois très délicate, et on adopta des méthodes indirectes. Ainsi Bothe et Geiger utilisèrent les diffusions successives d’un même photon par deux électrons. La détection de ces électrons s’effectuait à l’aide de deux compteurs Geiger à pointe et les premiers résultats donnèrent une valeur limite inférieure à 10 -2 s. Cependant plusieurs expériences de ce type furent montées et certaines d’entre elles semblèrent indiquer que les particules détectées étaient réparties d’une manière aléatoire dans le temps (infirmant ainsi l’hypothèse de simultanéité d’émission). Ces résultats furent à l’origine d’une polémique où l’on vit réapparaître l’ancienne théorie statistique de Bohr, Kramers et Slater. On estime aujourd’hui que ces anomalies étaient imputables au temps mort des compteurs Geiger.

En 1936, Shankland utilisa des circuits à coïncidence améliorés et des taux de comptage faibles. Il obtint une limite supérieure de 10-4 s. De plus, il étudia les angles d’émission des deux particules et vérifia avec une précision de 梁 10 degrés la relation:

qui exprime la conservation de l’énergie et de l’impulsion.

L’évolution de la technique a permis d’obtenir des résultats plus convaincants encore au cours des années 1950 à 1954. Parmi les premiers, il faut citer Hofstadter et McIntyre qui obtinrent une limite de 1,5 憐 10-8 s. Cette valeur fut enfin repoussée à 10-11 s par Z. Bay.

Une expérience destinée à déterminer la distribution angulaire des photons diffusés a été effectuée par Völker en 1954, afin de la comparer aux prédictions de la formule de Klein-Nishina (fig. 3). Le faisceau primaire était produit dans une cible interne d’un bêtatron par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung ).

L’électron et le photon secondaires se trouvaient détectés simultanément avec un temps de résolution de 5 憐 10-9 s dans des directions prédites par les lois de conservation de l’énergie et de l’impulsion. Cette expérience était donc complète puisqu’elle confirmait également l’hypothèse de l’existence de la réaction de diffusion.

La distribution angulaire expérimentale est en accord avec la théorie, et il n’existe plus de difficulté concernant l’effet Compton pour des électrons initialement au repos.

Diffusion Compton en physique des particules

La diffusion élastique des photons par les nucléons (proton ou neutron), qui correspond à un processus différent de l’effet Compton original, porte néanmoins le nom de diffusion Compton.

L’étude de cette réaction fait partie du programme expérimental de tous les grands centres de recherche en physique des particules, en particulier du Laboratoire européen pour la physique des particules (C.E.R.N., Genève), du Stanford Linear Accelerator Center (S.L.A.C., Stanford, États-Unis) et du Deutsches Elektronen-synchrotron (Desy, Hambourg). D’abord, il est aisé de produire des photons à l’aide d’électrons en utilisant le rayonnement de freinage comme nous l’avons déjà souligné. Ensuite, les caractéristiques de cette réaction de diffusion (probabilité, direction du photon diffusé, polarisation éventuelle...) et la comparaison à d’autres interactions du même type présentent un intérêt pour la recherche fondamentale. En effet, si l’effet Compton original, interaction entre un grain d’électricité, l’électron, et un grain d’énergie électromagnétique, le photon, est parfaitement compris, il n’en est pas de même pour l’interaction photon-proton, car ce dernier possède une structure comportant trois quarks. Bien sûr, les moyens requis pour ces études sont de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux des premières expériences de Compton.

Aspects physiques et biologiques

La section efficace de l’effet Compton, c’est-à-dire sa probabilité, dépend de la nature du milieu diffuseur et de l’énergie des photons. Elle est proportionnelle au nombre d’électrons de l’atome et le phénomène est prédominant entre 0,1 et 10 MeV. Dans ce domaine d’énergie, l’effet Compton est donc le principal responsable du pouvoir ionisant des rayons 塚. Cette propriété est utilisée pour la mesure de leur intensité et de leur énergie. Les milieux sensibles sont gazeux (compteur proportionnel), liquides (scintillateur) ou solides (cristal scintillateur, jonction semi-conductrice), cela constitue l’aspect positif de l’effet Compton en physique. Il existe également un aspect négatif. En effet, tout faisceau de rayon traversant la matière subit une dégradation: ses dimensions géométriques augmentent, la définition de son énergie diminue et l’on doit tenir compte d’une émission parasite d’électrons. L’action des rayons X et 塚 sur les tissus vivants est due en partie à l’effet Compton. L’ordre de grandeur du parcours des électrons de recul est très important. Pour des rayons X de 200 keV, la longueur du parcours est une fraction de millimètre, de sorte que l’absorption de l’énergie du faisceau varie exponentiellement avec la profondeur du tissu, provoquant une surexposition dangereuse de la peau pendant le traitement d’organes profonds. Par contre, pour des radiations de 20 MeV émises par un bêtatron, le parcours est de l’ordre de 10 cm, et l’absorption maximale se produit à 4 cm à l’intérieur du corps. Cette propriété est effectivement utilisée pour certaines applications en radiothérapie.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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