Passage de particules à travers la matière.

Unité d'épaisseur traversée

La quantité relevante pour la perte d'énergie dans la matière est le nombre d'atome que la particule va rencontrer le long de son chemin. La particule va voir le matériau seulement le long d'un cylindre extrêmement fin. En considérant que ce cylindre est infiniment fin nous avons donc besoin de savoir le nombre d'atomes par unité de surface. Le nombre d'atome est relié par le nombre d'Avogadro à une masse. La quantité relevante est donc la masse par unité de surface du matériel traversé.

Perte d'énergie des particules chargées (dE/dx)

Due surtout aux collisions inélastiques avec les électrons atomiques dans le matériaux plus lourdes que l'électron (μ π k p α) dE = perte d'énergie.
dx = unité d'épaisseur traversée [MeV/(g/cm²)]

Range:

distance moyenne parcourue par une particule chargée d'énergie E_o avant de s'arrêter.
R= integrale entre 0 et E_o de (ρdx/dE)

avec la densité ρ en g/cm³, R en cm.

Formule de Bethe Bloch:

Valable pour toutes les particules chargees sauf les electrons. Pas valable pour les très basses vitesses.
-dE/dx proportionel a:
la charge au carré de la particule => un α perd son énergie 4 fois plus vite qu'un proton
Z/A du materiel => essentiellement independant du materiel puisque a part pour l'hydrogene Z/A~0.5
pour les petites vitesses proportionel a 1/β, a haute vitesse proportionel a βγ
la perte d'energie a vitesse egale est independante de la masse de la particule.

Electrons:

La formule de Bethe-Bloch n'est pas applicable. D'autres effets sont possibles: les collisions électrons mettent en jeu deux particules distinguer, perte d'énergie par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung), les électrons ayant plus de possibilités d'interaction, leur range est donc plus petit.

Positrons:

Les positrons sont semblables aux électrons (invariance de jauge de la force électromagnétique) mais de plus ils peuvent s'annihiler avec les électrons de la matière e⁺e^--> γ γ. L'annihilation est très probable seulement si le positron a une énergie très faible. le positron va donc être freiné par interaction électromagnétique puis va faire une annihilation au repos. Les deux photons (e⁺e^--> γ γ γ est aussi possible, cela dépend des nombres quantique du système e⁺e^--> γ γ) sont donc émis dos à dos (en négligeant l'énergie de Fermi, une expérience y est consacrée), de plus, chaque photon a une énergie = me.

Photons:

Les photons ont un comportement tout à fait différent de celui des particules chargées lors du passage dans la matière. En particulier, l'absence de charge électrique des photons les rend extrêmement pénétrant.

Les photons peuvent réagir de trois façon:

γ+e-> γ+e: effet Compton.
Un photon est diffusé par un électron. L'électron est éjecté de l'atome. Le photon perd une partie de son énergie mais n'est pas détruit.

γ+e+noyau->noyau+e: effet photoélectrique.
Le photon est complètement absorbé. Toute son énergie est passée à l'électron. L'électron est généralement éjecté de l'atome, mais il est possible que le photon à exactement l'énergie requise pour donner lieu à une transition de couche pour l'électron dans l'atome, dans ce cas la section efficace est très grande et l'électron va rester dans l'atome. Mais quand l'atome va se désexciter un photon identique au photon incident va être généré (comme dans l'effet laser). L'effet photoélectrique dépend beaucoup de la phase du matériel. Dans un gaz l'effet photoélectrique est moins probable que dans un solide dont les niveaux d'énergie des électrons sont plus nombreux.

γ->e⁺ e^-. Création de paire.
Possible énergétiquement en présence d'une particule chargée pour conserver l'énergie. L'énergie du photon doit être > 2me. A basse énergie l'effet photoélectrique domine puis l'effet Compton puis la création de paires. Qualitativement, si l'on considère un faisceau de photon mono-énergétique après avoir passé à travers un bloc de matière l'énergie typique des photon reste la même mais le nombre de photon a décrut (par effet photo ou par création de paire). Nous observons aussi un bruit uniforme de photon de plus basse énergie que le faisceau incident.

Neutrons:

Les neutrons n'ont pas de charge électrique. Il faut donc qu'ils fassent une interaction forte avec un noyau pour pouvoir les détecter à moins que l'on n'observe leur désintégration (le neutron n'est pas une particule stable dans le vide). Par exemple, dans la réaction A(n,n)A* le A* peut être visible par sa désexcitation (expérience deutéron) . La réaction A(n,p)B (échange de charge) est tout aussi probable (interaction forte sont SU3 invariante) que les collision élastique A(n,n)B mais elle crée un proton mesurable. Les interactions des neutrons dépendent évidemment énormément de l'énergie des neutrons. Toute une industrie (nommée généralement industrie nucléaire) est basée sur la technologie de la transformation de l'énergie cinétique des neutrons en chaleur.

Remarque générale:

A part si l'on utilise des techniques très sophistiquée (gravitation, bolomètrie) nous ne pouvons mesurer que des particules chargées. Pour mesurer des particules neutre il faut d'abord trouver le moyen de les transformer en particules chargees