Voir la source de Rayon gamma

{{redirect| Rayon gamma| homonymie=Rayon| Gamma (homonymie){{!}}Gamma}}
[[Fichier:Gamma Decay.svg|vignette|Des rayons gamma sont produits par des processus nucléaires énergétiques au cœur des [[noyau atomique|noyaux atomiques]].]]
Un '''rayon gamma''' (ou '''rayon γ''') est un [[rayonnement électromagnétique]] à haute [[fréquence]] émis lors de la désexcitation d'un [[noyau atomique]] résultant d'une [[chaîne de désintégration|désintégration]]. Les [[photon]]s émis sont caractérisés par des énergies allant de quelques [[Électronvolt|keV]]<ref>[http://www.irsn.fr/EN/Research/publications-documentation/radionuclides-sheets/Documents/Iode_I129_v1.pdf « Fiche radionucléide - Iode 129 et environnement »] {{pdf}}, [[Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire]].</ref> à plusieurs centaines de [[GeV]] voire jusqu'à {{Unité|450 TeV}} pour le plus énergétique jamais observé<ref>{{Article|langue = en|mois = juillet|année = 2019|titre = First detection of photons with energy beyond {{nb|100 TeV}} from an astrophysical source|lire en ligne =  https://arxiv.org/pdf/1906.05521.pdf |format=pdf |auteur1 = M. Amenomori |et al. = oui|périodique = [[Physical Review Letters]]}}.</ref>. Les rayons gamma furent découverts en [[1900 en science|1900]] par [[Paul Villard]], chimiste français.

== Caractéristiques ==
Les rayons gamma sont plus pénétrants que les [[Particule α|particules alpha]] et [[Particule β|bêta]], mais sont moins [[Rayonnement ionisant|ionisants]]. Ils sont de même nature que les {{lnobr|rayons X}} mais sont d'origine et de fréquence différentes.

Les rayons gamma sont produits par des [[transition nucléaire|transitions nucléaires]], tandis que les rayons X sont produits par des [[transition électronique|transitions électroniques]] provoquées en général par la collision à haute vitesse d'un électron avec un [[atome]]. La fréquence de leurs ondes est de l'ordre de 10<sup>17</sup> à {{unité|e19 Hz}}. Comme il est possible pour certaines transitions électroniques d'être plus énergétiques que des transitions nucléaires, il existe un certain chevauchement entre les {{nobr|rayons X}} de haute énergie et les rayons gamma de faible énergie.

Les observations de rayons gamma émis dans des [[orage]]s s'accumulent<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Alexandra |nom1=Witze |titre=Space-station cameras reveal how thunderstorms trigger gamma-ray bursts |périodique=Nature |date=2019-07-17 |doi=10.1038/d41586-019-02181-8 |lire en ligne=http://www.nature.com/articles/d41586-019-02181-8 |consulté le=2019-07-20}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Davide |nom1=Castelvecchi |titre=Rogue antimatter found in thunderclouds |périodique=Nature News |volume=521 |numéro=7551 |date=2015-05-14 |doi=10.1038/521135a |lire en ligne=http://www.nature.com/news/rogue-antimatter-found-in-thunderclouds-1.17526 |consulté le=2019-07-20 |pages=135}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Harufumi |nom1=Tsuchiya |prénom2=Daigo |nom2=Umemoto |prénom3=Toshio |nom3=Nakano |prénom4=Yousuke |nom4=Sato |titre=Photonuclear reactions triggered by lightning discharge |périodique=Nature |volume=551 |numéro=7681 |date=2017-11 |issn=1476-4687 |doi=10.1038/nature24630 |lire en ligne=https://www.nature.com/articles/nature24630 |consulté le=2019-07-20 |pages=481–484}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Q. M. |nom1=Ali |nom2=C. L. Bhat |prénom3=H. |nom3=Razdan |prénom4=G. N. |nom4=Shah |titre=Neutron generation in lightning bolts |périodique=Nature |volume=313 |numéro=6005 |date=1985-02 |issn=1476-4687 |doi=10.1038/313773a0 |lire en ligne=https://www.nature.com/articles/313773a0 |consulté le=2019-07-20 |pages=773–775}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article |prénom1=A. V. |nom1=Gurevich |prénom2=V. P. |nom2=Antonova |prénom3=A. P. |nom3=Chubenko |prénom4=A. N. |nom4=Karashtin |titre=Strong Flux of Low-Energy Neutrons Produced by Thunderstorms |périodique=Physical Review Letters |volume=108 |numéro=12 |date=2012-03-19 |doi=10.1103/PhysRevLett.108.125001 |lire en ligne=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.125001 |consulté le=2019-07-20 |pages=125001}}.</ref> et ils semblent liés aux [[Courant électrique|courants électriques]] dont les [[Phénomène lumineux transitoire|éclairs]] sont les manifestations les plus visibles. La prise en compte de l'effet de courants électriques « ordinaires » au niveau nucléaire est en cours d'étude pour tenter d'expliquer certaines manifestations accidentelles violentes apparaissant parfois dans les {{Passage à vérifier|batteries électriques|La grande réactivité chimique du lithium métallique suffit dans la plupart des cas à expliquer l'explosion accidentelle de ce type de batterie.}}<ref>{{Article |prénom1=A. |nom1=Widom |prénom2=Y. |nom2=Srivastava |prénom3=J. |nom3=Swain |prénom4=Georges |nom4=de Montmollin |titre=Reaction products from electrode fracture and Coulomb explosions in batteries |périodique=Engineering Fracture Mechanics |volume=184 |date=2017-10-15 |issn=0013-7944 |doi=10.1016/j.engfracmech.2017.08.030 |lire en ligne=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013794417307038 |consulté le=2019-07-20 |pages=88–100}}.</ref> et {{Passage à vérifier|accompagnées de production de neutrons et d'autres particules|Cette affirmation est très forte et "en rupture" avec ce que l'on connaissait jusque là. Il importe donc qu'elle repose sur des observations robustes, reproductibles, et dûment vérifiées. Une affirmation forte requiert des preuves fortes (Carl Sagan) ! Existe-t-il d'autres expériences sur ce sujet correctement documentées dans des articles revus par des pairs confirmant, ou infirmant, cette affirmation révolutionnaire qui rappelle l'engouement pour la "Fusion froide" en 1989 ?}}.

== Sources cosmiques du rayonnement gamma ==
{{Article détaillé|Astronomie gamma}}
[[Fichier:267641main allsky labeled HI.jpg|vignette|Mise en évidence des rayons gammas par GLAST (aujourd'hui Fermi)]]
Les sources de rayonnement gamma dans l'Univers sont connues depuis 1948 mais n'ont été observées que depuis le début des années 1960. En effet, les [[photon]]s gamma sont presque complètement arrêtés par l'atmosphère terrestre. Les premières observations astronomiques ont été faites à partir de [[ballon-sonde|ballons-sondes]], de [[fusée-sonde|fusées-sondes]] (temps d'observations très courts). Ils sont aujourd'hui observés par des [[télescope spatial|télescopes spatiaux]] spécialisés. Les rayonnements gamma les plus énergétiques peuvent être indirectement observés par des observatoires terrestres qui captent la [[Gerbe électromagnétique|cascade électromagnétique]] générée par l'[[Effet Tcherenkov|effet Vavilov-Tcherenkov]]. Le rayonnement gamma de source cosmique résulte des événements les plus violents de l'Univers : [[Jet (astrophysique)|jets]] relativistes produits par des [[trou noir supermassif|trous noirs supermassifs]] ([[blazar]]s), [[sursauts gamma]]{{, etc.}} L'énergie des photons gamma émis peut atteindre des centaines de [[GeV]].

== Interaction avec la matière ==
[[Fichier:Faisceaux de particules avec Crête de Tavernier.PNG|thumb|upright=1.3|Illustration de la crête de [[Guy Tavernier|Tavernier]] qui se caractérise par l'accroissement de la dose d'irradiation de certains rayonnements dans l'organisme, dont les rayons gamma, avant sa décroissance exponentielle. Voir aussi [[transfert linéique d'énergie]] et effet de ''{{lang|en|build-up}}''.]]

En pénétrant une substance, telle la matière vivante, la dose d'irradiation par les rayons gamma passe d'abord par un maximum ou « crête de Tavernier », du nom du physicien belge [[Guy Tavernier]] qui découvrit ce phénomène en 1948, avant de décroître exponentiellement avec la profondeur. Ce maximum se situe à environ {{nb|1 cm}} de profondeur pour les rayons gamma et l'intensité de ce rayonnement gamma est fort dépendante de la longueur de diffusion valable pour la substance pénétrée. On a ainsi :
:<math>\displaystyle
I(d) = I_0 e^{-\mu d}
</math>
où
* ''µ'' = ''nσ'' est le coefficient d'absorption, mesuré en cm{{-1}} ;
* ''n'' le nombre d'atomes par centimètre cube dans la matière ;
* ''σ'' la [[section efficace]] d'absorption en centimètres carrés, donnée pour un couple rayonnement-matière caractérisé par l{{'}}''énergie du faisceau incident'' et la ''nature chimique du matériau cible'' (son [[numéro atomique]] ''Z'', au premier ordre) ;
* et ''d'' l'épaisseur du matériau en centimètres.
Ainsi, on constate que le blindage contre les rayons gamma requiert de grandes quantités de [[matière]] et qu'il n'est pas possible de stopper 100 % du rayonnement. Par exemple, un blindage qui réduit de 50 % l'intensité de rayons gamma de {{nb|1 [[Électronvolt|MeV]]}} nécessite {{Unité|1 cm}} de [[plomb]], {{Unité|6 cm}} de [[béton]] ou {{Unité|9 cm}} de terre. Plus le numéro atomique (''Z'') est élevé, plus l'atténuation est forte. En inversant la relation ci-dessus, l'épaisseur nécessaire pour atténuer le rayonnement d'un facteur ''k'' = {{sfrac|''I''{{ind|0}}|''I''}} est donnée par ''d'' = {{sfrac|ln''k''|''µ''}}. Avec un blindage en plomb, de numéro atomique ''Z'' = 82 et de coefficient d'absorption ''µ'' = 0,693147 cm{{-1}}, il faut {{unité|6.6 cm}} pour éliminer 99 %, {{Unité|13 cm}} pour éliminer 99,99 % et {{Unité|19.9 cm}} pour éliminer 99,9999 % (ce qui atténue l'énergie du rayonnement d'un facteur 10{{Exp|6}}). Avec un blindage en béton, de coefficient d'absorption ''µ'' = 0,1155, il faut {{Unité|19.9 cm}} pour éliminer 90 % des radiations gamma, {{Unité|99.6 cm}} pour éliminer 99,999 %, {{Unité|1.20 m}} pour 99,9999 % et {{Unité|1.40 m}} pour 99,99999 % (radiations gamma divisées par 10{{Exp|7}}).

[[Fichier:Gamma Abs Al.png|vignette|Le coefficient d'absorption total de l'aluminium pour les rayons gamma et les contributions des trois effets. Ici, l'[[Diffusion Compton|effet Compton]] domine.]]
[[Fichier:Gamma Abs Pb.png|vignette|Le coefficient d'absorption total du plomb pour les rayons gamma et les contributions des trois effets. Ici, l'[[effet photoélectrique]] domine pour l'énergie basse et la [[Création de paires|production des paires]] au-dessus de {{nb|5 MeV}}.]]

Les rayons gamma interagissent avec la matière via trois mécanismes principaux :

=== Effet photoélectrique ===
{{Article détaillé|Effet photoélectrique}}
Dans l'[[effet photoélectrique]], un [[photon]] gamma interagit avec la matière en transférant l'intégralité de son énergie à un [[électron]] occupant une orbitale donnée qui est alors éjecté de l'[[atome]] auquel il était lié. L'[[énergie cinétique]] de ce ''photo''-électron est égale à l'énergie du photon gamma moins l'[[énergie d'ionisation|énergie de liaison]] de l'électron. L'effet photoélectrique est considéré comme le mécanisme principal de transfert d'énergie des {{nobr|rayons X}} et des rayons gamma d'énergie inférieure à {{nb|50 [[électronvolt|keV]]}}, mais est beaucoup moins important aux plus hautes énergies. Sa plage d'énergie est fonction du [[numéro atomique]] de l'élément avec lequel le photon X ou gamma interagit. L'effet photoélectrique dépend donc directement de la densité de l'élément et augmente considérablement avec celle-ci (densité à la puissance six). Cela explique la forte atténuation des rayons X et gamma par le [[plomb]] et le choix de ce matériau facile à mettre en œuvre pour les blindages de protection.

=== Diffusion Compton ===
{{Article détaillé|Diffusion Compton}}
Dans le cas de la [[diffusion Compton]], le photon gamma possède une énergie plus que suffisante pour arracher un électron d'orbitale ; l'énergie restante est réémise sous forme d'un nouveau photon gamma de moindre énergie et dont la direction d'émission est différente de la direction incidente du photon gamma d'origine. L'efficacité de la diffusion Compton diminue avec l'augmentation de l'énergie des photons ; on pense que c'est le principal mécanisme d'absorption des rayons gamma dans la gamme d'énergie entre {{nb|100 keV}} et {{nb|10 MeV}}, qui est celle qui inclut la plus grande part de radiations gamma provenant d'une [[Explosion atomique|explosion nucléaire]]. La diffusion Compton est relativement indépendante du [[numéro atomique]] de la matière absorbant les photons gamma.

=== Production de paires ===
{{Article détaillé|Création de paires}}
En interagissant avec la [[Loi de Coulomb (électrostatique)|force de Coulomb]] au voisinage d'un noyau atomique, l'énergie du photon gamma incident peut spontanément être convertie en [[masse]] (équivalence masse-énergie : [[E=mc2|E = mc{{exp|2}}]]) sous la forme d'une paire [[électron]]-[[positon]]. La [[Création de paires|production d'une telle paire]] (matière-[[antimatière]]) nécessite une énergie supérieure à la [[masse au repos]] des particules qui la composent ({{unité|2 × 0.511 MeV}}), soit {{unité|1.022 MeV}} : l'énergie excédentaire est transférée sous forme d'énergie cinétique à la paire formée ainsi qu'au noyau de l'atome. L'électron produit, qui est souvent appelé ''électron secondaire'', est hautement ionisant. Quant au positon, très ionisant aussi, il possède une très courte durée de vie dans la matière : {{nb|e-8 s}}, car dès qu'il est à peu près arrêté, il s'annihile avec un autre électron de la matière ; l'énergie équivalente à la masse totale de ces deux particules est alors transformée (à nouveau E = mc{{exp|2}}) en deux photons gamma de {{unité|0.511 MeV}} émis en direction diamétralement opposée (c.-à-d. formant un angle de 180° entre elles).

Les positons (antiélectrons, particules d'[[antimatière]]) provoquent beaucoup d'[[ionisation]] tout le long de leurs trajectoires. Cela les ralentit jusqu'à la fin de leur parcours, où ils s'annihilent très rapidement avec les électrons de la matière.

== Utilisation ==
* [[Radiographie]] par rayons gamma : [[Contrôle non destructif#Gammagraphie (RT gamma)|gammagraphie]]
* [[Imagerie médicale]]
* [[Médecine nucléaire]]
* [[Radiothérapie]]
* [[Stérilisation_(microbiologie)#Stérilisation_par_des_rayonnements_ionisants|Stérilisation (irradiateur <sup>60</sup>Co)]]
* [[Spectrométrie gamma]]
* [[Astronomie gamma]]
* Restauration d'objets par l'[[atelier de recherche et de conservation Nucléart]]

=== Spectrométrie Mössbauer ===
{{Article détaillé|Spectroscopie Mössbauer}}
Il s'agit d'une [[spectrométrie d'absorption]] gamma qui a valu le [[prix Nobel]] à son découvreur [[Rudolf Mössbauer]] à l'age de 28 ans.

L'échantillon est excité par un rayonnement gamma (photon) dont on fait varier l'énergie de façon infinitésimale autour d'une énergie de transition nucléaire. Pour cela, on dispose d'une source émettant un rayonnement gamma et on applique à celle-ci un mouvement d'oscillation (à l'aide d'un simple mécanisme ressemblant au vibreur d'une sonnette) ; c'est l'[[Effet Doppler|effet Doppler-Fizeau]] qui produit la variation de l'énergie.

Un détecteur est placé derrière l'échantillon. Lorsque l'énergie du rayonnement incident correspond exactement à l'énergie de transition nucléaire, le rayonnement gamma est absorbé, et donc l'intensité transmise mesurée est plus faible.

Le spectre Mössbauer est constitué d'un ensemble de pics multiplets symétriques dont la position et forme (déplacement isomérique et éclatement quadripolaire ) sont à la fois caractéristiques de l'[[nombre d'oxydation|état d'oxydation]] de l'élément étudié, mais aussi de la nature et de la géométrie des atomes voisins les plus proches de ceux de l'élément chimique étudié.

== Danger ==
Les rayons gamma peuvent produire des dégâts similaires à ceux produits par les {{lnobr|rayon X|rayons X}} et les autres [[Rayonnement ionisant|rayonnements ionisants]], tels que [[brûlure]]s, [[nécrose]] ([[effet déterministe|effets déterministes]]), [[cancer]]s et [[Mutation (génétique)|mutations]] génétiques ([[Effet stochastique|effets stochastiques]], c'est-à-dire aléatoires).

Si les rayons gamma sont moins ionisants que les [[radioactivité α|rayons α]] ou [[radioactivité β|β]], ils demandent des épaisseurs de blindage plus importantes pour s'en protéger (de l'ordre d'un ou deux mètres d'épaisseur de [[béton]], de roche ou de terre, en fonction de l'intensité initiale des rayonnements). 

== Répartition géographique en France ==
En France, le Réseau national de mesures de la radioactivité de l'environnement (RNM) diffuse des mesures de rayons gamma en divers points du territoire<ref>{{Lien web|titre=Réseau national de mesures de la radioactivité de l'environnement|url=https://www.mesure-radioactivite.fr/#/|site=mesure-radioactivite.fr|consulté le=2020-07-31}}.</ref>. Ci-dessous, les ordres de grandeur (exprimés en nano[[sievert]]s par heure, symbole nSv/h) de ces rayonnements mesurés par différents organismes de 2009 à 2012 :

Mesures d'EDF :
* [[Golfech]] : 90 ± 18
* [[Braud-et-Saint-Louis]] : 90 ± 18
* [[Dampierre-en-Burly]] : 120 ± 25
* [[Paluel]] : 82 ± 16

Mesures de l'IRSN de sites à forte [[Radioactivité|radioactivité naturelle]] :
* [[Chamonix-Mont-Blanc]] (Aiguille du Midi) : 250 ± 70
* [[Montluçon]] (bassin d'uranium) : 220 ± 70
* [[Saint-Maurice-sur-Moselle]] (massif granitique) : 210 ± 60
* [[Mantet]] (pic du Canigou) : 170 ± 50

Mesures de l'IRSN :
* [[7e arrondissement de Paris|Paris-7]] : 45 ± 5
* [[Martinique]] : 48 ± 5
* [[12e arrondissement de Paris|Paris-12]] : 55 ± 6
* [[8e arrondissement de Paris|Paris-8]] : 55 ± 5
* [[Anglet]] : 55 ± 16
* [[Guadeloupe]] : 60 ± 6
* [[La Réunion]] : 60 ± 6
* [[Valence (Drôme)|Valence]] : 62 ± 6
* [[Lyon]] : 70 ± 7
* [[Marseille]] : 70 ± 20
* [[La Rochelle]] : 70 ± 7
* [[Rennes]] : 70 ± 7
* [[Mayotte]] : 79 ± 8
* [[Toulouse]] : 100 ± 10
* [[Brennilis]] : 105 ± 32
* [[Bagnères-de-Bigorre]] : 105 ± 30

Mesures du CEA :
* [[Bagnols-sur-Cèze]] (usine) : 105 ± 5

Autres mesures :
* [[Narbonne]] ([[Usine Orano Malvési|usine Areva Malvési]]) : 170 ± 15, mesure Areva
* [[Romans-sur-Isère]] (usine) : mesures variables (entre 40 et 140)
* [[Grenoble]] ([[European Synchrotron Radiation Facility|synchrotron]]) : mesures variables (entre 70 et 110)

== Notes et références ==
{{Références}}

== Voir aussi ==
{{Autres projets| wikt=rayon gamma}}

=== Articles connexes ===
* [[Astronomie gamma]]
* [[Interaction rayonnement-matière]]
* [[Photon quadripolaire]]
* [[Pollution radioactive]]
* [[Pouvoir d'arrêt (rayonnement ionisant)]]
* [[Radioactivité gamma]]
* [[Radioprotection]]
* [[Rayonnement ionisant]]
* [[Sursaut gamma]] (Gamma ray bursts)

=== Liens externes ===
* {{Autorité}}
* {{Bases}}
* {{Dictionnaires}}

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[[Catégorie:Radioactivité]]
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[[Catégorie:Rayonnement ionisant|Gamma]]
[[Catégorie:Bande spectrale|Gamma]]
[[Catégorie:Cancérogène du groupe 1 du CIRC]]