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Interaction particules-matière - Théorie

Cet article a pour objet de faire le point sur les interactions particules-matière afin de permettre au lecteur d’aborder, par la suite, l’étude des différentes techniques de détection de rayonnements d’énergie supérieure à une dizaine de keV, tels ceux rencontrés en physique nucléaire ou en physique des particules. On a, dans ce cas, affaire la plupart du temps à des rayonnements ionisants qui vont transmettre leur énergie aux électrons du milieu ralentisseur : on parlera de pouvoir d’arrêt (perte d’énergie par unité de longueur du milieu traversé) électronique. À plus basse énergie, domaine non abordé par la suite, le ralentissement des particules se fait par collisions élastiques avec les atomes du milieu : on parlera de pouvoir d’arrêt nucléaire (cf. figure).

On est amené à distinguer ici différentes classes d’interaction, suivant que l’on considère des rayonnements chargés ou neutres, des particules lourdes ou légères.

Dans le cas de particules chargées, la perte d’énergie s’opère par transferts discrets d’énergie aux électrons du milieu (ionisation) et, pour des particules légères (essentiellement électrons), par émission d’un rayonnement de freinage (bremsstralung) lors de l’accélération subie au voisinage d’un noyau.

Dans le cas de rayonnements neutres (gamma, neutrons...), il y a d’abord transfert de tout ou partie de l’énergie à une particule chargée du milieu (électrons, noyaux), puis détection de la particule chargée.

Les processus évoqués ci-dessus sont des processus discrets de transfert d’énergie. Il existe des processus macroscopiques d’interaction d’une particule chargée dans un milieu donné. Dans ce cas, la perte d’énergie de la particule est négligeable, mais un signal est émis par le milieu indiquant le passage de la particule. Il s’agit de l’effet Cherenkov, pour des particules chargées relativistes, et des radiations de transition au passage d’une particule chargée entre deux milieux de propriétés diélectriques différentes.