Interaction rayonnement-matière

Les interactions rayonnement-matière (ou interactions lumière-matière) décrivent, dans le cadre de la mécanique quantique, les effets d'un rayonnement sur un atome. Le terme « rayonnement » est à prendre dans son sens quantique :

• rayonnement électromagnétique (lumière, rayon X, rayon gamma) ;
• particule (électron, neutron, rayonnement alpha).

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

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 "rebondit" avec perte d'énergie (voir la Diffusion Raman) ; si 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.

Relaxation

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 ;
• il y a émission directe d'un électron périphérique, c'est l'émission Auger.

Autres interactions

• Spin, résonance paramagnétique électronique, résonance magnétique nucléaire et imagerie médicale
• Phonon, spectrométrie Raman

Applications

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 spectrométrie d'absorption des rayons X (XANES, EXAFS)
fluorescence		microscope laser microscope à fluorescence	spectrométrie de fluorescence des rayons X (XRF)
diffusion			diffusion des rayons X
diffraction			diffraction des rayons X (XRD)
effet photoélectrique			spectrométrie 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

• (fr) Interactions électrons/matière, laboratoire de matériaux, École catholique des arts et métiers.
• Les interactions rayonnement/matière et la radioprotection