Interaction rayonnement-matière

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Les interactions rayonnement-matière décrivent les effets d'un rayonnement sur un atome. Le terme « rayonnement » est à prendre dans son sens quantique :

Ces rayonnements sont utilisés pour analyser la matière. En effet, les atomes sont trop petits pour être visibles ou palpables, on ne peut donc les connaître que de manière indirecte ; on observe la manière dont ils perturbent un rayonnement incident. Ceci a donné naissance à deux types de méthodes d'analyse :

  • les méthodes de diffraction : lorsque les atomes sont organisés de manière ordonnée (cristal), le rayonnement va être diffusé dans certaines directions de l'espace uniquement ; l'étude de cette répartition spatiale de l'intensité diffusée permet de caractériser l'organisation de la matière ;
  • les méthodes spectrométriques : les atomes vont absorber une partie des radiations incidentes et en réémettre d'autres, le spectre d'absorption et de réémission est caractéristique des énergies de liaison de la matière, et donc de sa nature chimique.

Diffusion, ionisation[modifier | modifier le code]

Le rayonnement incident peut interagir de plusieurs manières avec l'atome :

  • il peut être diffusé, c'est-à-dire qu'il « rebondit » sur l'atome :
    • diffusion élastique : le rayonnement rebondit sans perdre d'énergie ; si le rayonnement incident est électromagnétique (lumière, rayon X) on parle de diffusion Rayleigh, si c'est un électron, on parle de rétrodiffusion ;
    • diffusion inélastique : le rayonnement provoque l'éjection d'un électron faiblement lié, il perd donc de l'énergie, c'est la diffusion Compton ;
  • il peut être absorbé, en provoquant une transition électronique :
    • si l'énergie incidente est faible, il provoque simplement le changement d'orbite d'un électron ;
    • si l'énergie est suffisante, il provoque une ionisation ; si le rayonnement incident est électromagnétique, on parle d'effet photoélectrique et l'électron éjecté est un photoélectron ; si le rayonnement incident est un faisceau d'électrons, les électrons éjectés sont des électrons secondaires.

Interaction rayonnement matiere incidence.png

Relaxation[modifier | modifier le code]

Dans le cas où le rayonnement est absorbé, l'atome est dit « excité » car son état d'énergie n'est pas l'état minimal. Il s'ensuit donc une « relaxation » (ou « désexcitation ») : un électron d'une couche supérieure vient combler la case quantique laissée vacante par l'électron éjecté.

Si l'énergie de transition est modérée (c'est-à-dire si le rayonnement incident avait une énergie modérée), la relaxation provoque l'émission d'un photon de faible énergie (visible ou ultra-violet), c'est le phénomène de cathodoluminescence dans le cas où le matériau est semi-conducteur ou isolant. Si l'énergie de transition est élevée, on peut avoir deux cas :

  • il y a émission d'un photon fluorescent, qui du fait de son énergie, est un photon X, on parle de fluorescence X ;
  • ce photon X peut être recapturé par l'atome lui-même et provoquer l'éjection d'un électron périphérique, c'est l'émission Auger.

Interaction rayonnement matiere relaxation.png

Autres interactions[modifier | modifier le code]

Applications[modifier | modifier le code]

Méthodes d'analyse utilisant un rayonnement incident électromagnétique
rayonnement incident
effet infrarouge visible, ultraviolet rayons X
absorption spectroscopie et microscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) spectrométrie d'absorption,
oxymètre
radiographie
spectroscopie d'absorption des rayons X (XANES, EXAFS)
fluorescence microscope laser
microscope à fluorescence
spectrométrie de fluorescence X (XRF)
diffusion diffusion des rayons X
diffraction diffraction des rayons X (XRD)
effet photoélectrique spectroscopie photoélectronique X (XPS (ESCA))


Méthodes d'analyse utilisant un rayonnement incident particulaire
rayonnement incident
effet électron neutron ion
absorption microscope électronique en transmission Microscopie ionique en transmission
émission d'électron spectrométrie Auger,
microscope électronique à balayage
diffraction EBSD,
microscope électronique en transmission
diffraction de neutrons
émission X Spectroscopie d'émission de rayons X (de) (XES), microsonde de Castaing Spectroscopie d'émission de rayons X induite par des particules chargées (PIXE)
émission gamma PIGE
Diffusion Spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford
Réactions nucléaires Analyse par réactions nucléaires (en anglais)

Liens externes[modifier | modifier le code]