Incompréhensibles rayons X
Bonjour,
il paraît, si j'en croit certains profs, que le "charabia" qui suit est incompréhensible...
A vous de juger
Si vous avez du courage et que vous voulez vous instruire allez-y !!
Hommage aux courageux !!! Halleluia
La fin est un peu bacléeIntroduction
Il existe de nombreuses manières de produire des rayons X. Un exemple de l'utilisation des rayons X est la radiographie comme dans les aéroports ou dans les cabinets médicaux. Elle permet de montrer ce que l’œil humain n'est pas capable de voir. Comment cela est-il possible ?
Pour rentrer dans les détails et la compréhension de ce phénomène, nous sommes obligés d'en venir à la physique quantique qui régie les comportements et les propriétés des particules au niveau atomique. Dès lors, nous nous devons donc de considérer les particules comme des ondes-corpuscules c'est à dire à la fois comme des corps, et des ondes. Cette notion est la base sur laquelle repose la mécanique quantique.
Nature
Les rayons X sont des ondes de nature électromagnétiques. Ces ondes électromagnétiques sont de même nature que la lumière cependant ce sont des rayonnements électromagnétiques de longueur d'onde beaucoup plus courte que pour ladite lumière ; comprise entre 1nm et 100nm. En raison de la relation qui lie l'énergie des photons qui compose ce rayonnement et leur fréquence, les rayons X ne font pas partie du domaine visible du spectre électromagnétique dont la bande de fréquence est comprise entre 400nm et 700nm.
E = hv
Où E est l'énergie des photons en J, h la constante de Planck h=6,62x10-34J.s et v la fréquence en Hz.
λ = hc
E
Où λ est la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique et c la vitesse de la lumière c=2,99x108
L'électron dans l'atome
Il faut tout d'abord savoir que la matière est composée d'atomes. La structure simplifiée de l'atome est la suivante ; un noyau autour duquel tournent des électrons. L'électron est une particule qualifiée d'élémentaire ; elle est indivisible selon les connaissances actuelles.
L'électron est une particule subatomique, il est donc une onde-corpuscule. D'où, l'hypothèse de Broglie permet de déterminer la longueur d'onde de l'électron en fonction de sa quantité de mouvement. La longueur d'onde est la longueur qui sépare deux motifs d'une onde périodique qui est mue dans l'espace. Celle-ci décrit la probabilité de présence de l'électron en fonction de sa distance par rapport au noyau.
Sans développer d'avantage l'hypothèse de Broglie, le raisonnement final nous amène à ce que l'énergie de l'électron est toujours un multiple d'une quantité élémentaire ; elle est donc quantifiée. Cette unité d'énergie élémentaire est la constante de Planck.
h=6,62x10-34J.s
L'électron possède une énergie cinétique qui lui permet de graviter, de tourner autour du noyau sans s'en rapprocher ni s'en éloigner. L'énergie cinétique est de l'énergie de mouvement, une énergie acquise par un objet possédant une masse et une vitesse. Cependant, nous savons que l'énergie de l'électron est quantifiée ; il ne peut donc se trouver qu'à certaines distances du noyau ; c'est ce que l'on appelle des orbitales. Plus l'énergie de l'électron est grande et plus il est éloigné du noyau.
Le photon
Pour comprendre la production de rayonnement X, il faut d'abord en comprendre l'origine. Comme il l'était précisé dans l'introduction sur la nature des rayons X, ceux-ci sont de même nature que la lumière mais d'énergie différente. Ce sont d'abord des photons.
Le photon est la représentation subatomique de l'énergie. Il est considéré lui aussi comme une onde-corpuscule. Cependant, il ne représente pas une particule matérielle comme l'électron dont nous avons parlé. Ainsi, il ne porte pas de charge ni de masse mais joue un rôle essentiel dans les échanges d'énergie au niveau atomique. En raison de la quantification de l'énergie évoquée par Planck, l'énergie portée par le photon est régie par l'équation suivante :
E=hv
Ce qui est appelé photon est de l'énergie pure. De plus, une particule qui perd de l'énergie le fait, dans le cas que nous traitons, sous la forme d'une onde électromagnétique et donc d'un photon. De plus et toujours dans notre cas, l'électron peut absorber un photon et donc gagner de l'énergie cinétique.
Les transitions électroniques
Un électron possède une certaine énergie cinétique, elle est représentative du travail qu'il faudrait effectuer pour que la particule passe de l'état de repos à son état de mouvement actuel.
Si nous nous référons à ce qu'il a été dit dans les parties précédentes, si l'énergie cinétique de l'électron augmente, alors il change d'orbitale. Or il est possible d'apporter de l'énergie à un électron sous la forme d'un photon.
Pour simplifier le mécanisme, si un photon pénètre dans l'atome, alors il apporte de l'énergie à un électron qui effectue alors un changement d'orbitale uniquement si l'énergie du photon est la même que celle nécessaire à la transition électronique ; si cette règle est respectée alors l'atome passe dans un état excité et l'électron s'éloigne un peu plus du noyau.
Eγ=Ei-Ef
Où Eγ est l'énergie du photon, Ei et Ef sont les énergie initiales et finales du système
Cependant, lorsqu'un photon pénètre l'atome et qu'il est absorbé par un des électrons et que celui-ci change d'orbitale, l'atome est dit excité car il possède plus d'énergie que dans son état fondamental, l'état dans lequel est l'atome lorsqu'il possède le minimum d'énergie.
L'atome étant en déséquilibre, l'électron étant plus éloigné du noyau, celui-ci va tenter de se rapprocher du noyau pour rétablir l'équilibre fondamental. Cependant, il possède un surplus d'énergie dont il va se débarrasser naturellement dans notre cas sous la forme d'un photon pour rejoindre son orbitale initiale, plus proche du noyau. Ce rééquilibre se traduit par l'émission d'un photon de même énergie que celui absorbé ou de plusieurs photons si l'électron perd de l'énergie en passant par des orbitales intermédiaires. Mais dans ce cas le cumul des énergies des photons est la même que celle du photon absorbé d'où
E1-E2=hv
Ou E1 et E2 correspondent aux états impliqués dans la transition.
Si l'on reprend le principe, plus la différence d'énergie entre les deux états donc si plus la différence entre les distances de l'électron par rapport au noyau sont grandes et plus l'énergie du photon produit est importante.
Il est possible de déséquilibrer de la même façon les systèmes électroniques des atomes en les bombardant avec de électrons. Dans ce cas, les électrons incidents percutent les électrons de l'atome et les éjectent de celui-ci. Les électrons éjectés sont dès lors appelés électrons secondaires.
Quant à l'atome, sa configuration électronique est perturbée il existe un « trou », un électron est absent, des électrons des niveaux d'énergie supérieurs vont venir combler le vide laissé par l'électron secondaire qui fut éjecté et de part ce qu'il a été dit précédemment cette réorganisation s'accompagne de l'émission de photons. De plus l'électron éjecté était proche du noyau et plus la probabilité d'obtenir un photon de haute énergie résultant des transitions électroniques est élevé.
Les tubes à rayon X utilisées en médecine pour générer des rayons X fonctionnent pour la plupart sur le principe de réorganisation des orbitales électroniques.
Déviation d'une particule
Une autre loi fondamentale de la physique quantique est l'émission spontanée de photons par une particule en mouvement si sa trajectoire est modifiée. C'est à dire si la direction dans laquelle la particule se déplace est modifiée, celle-ci émet alors un photon. C'est le rayonnement synchrotron.
Dans ce cas l'énergie du photon émis Eγ est la même que l'énergie cinétique de l'électron Ee- :
Eγ=Ee-
Cette propriété est utilisée dans les tubes à rayon X actuels ; des électrons sont accélérés à grande vitesse dans un tube par une tension puis sont déviés par des électroaimants ou des électrodes placés à proximité du tube.
Les particules élémentaires possèdent une charge. Une charge est un concept qui permet de définir la manière dont interagira un objet ou une particule chargée face à une autre. Si la charge proche est du même signe que la charge de la particule alors il y a répulsion, dans le cas contraire, il y a attraction.
Il est nécessaire de savoir que celle de l'électron est négative.
qe-= -1,60x10-19C= -e
où qe- est en Coulomb et e est la charge élémentaire
Il en découle que toute accélération d'une particule portant quelconque charge peut être modifiée par une autre charge proche. Dans les deux cas, l'accélération (la trajectoire ou la vitesse) de la particule est modifiée ; il y a donc émission d'un photon. Si la vitesse de l'électron est suffisante, le photon appartient au domaine des rayons X comme dans notre cas.
Ce procédé est le plus probable dans les tubes utilisés à cet effet, la production de rayons X ; dans les tubes à rayon X. Des électrons sont accélérés par une tension depuis l'anode, puis, une fois arrivés à la cathode, ils sont déviés par les noyaux des atomes de proximité qui sont eux de charge positive. La trajectoire des électrons est modifiée et ceci s'accompagne de l'émission d'un photon X. Cependant, il est nécessaire que la tension soit importante pour que l'énergie des photons en soit de même, d'où :
λ0 = hc
.......eU
Ou λ0 est la longueur d'onde minimale d'où commence le spectre d'émission, e la charge électrique élémentaire et U la tension appliquée aux bornes du tubes à rayons X. De plus, λmax est la longueur d'onde pour laquelle l'énergie du rayonnement synchrotron est maximale :
λmax = 2 λ0
...........3
En conclusion, il est possible de produire des rayons X de différentes manière mais certaines sont plus utilisées dans le domaine médical en raison de leur plus grande précision ou de leur faible coût de mise en œuvre.
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Envoyé par Blender82 
