Rayons gamma: ce qu’ils sont et à quoi ils servent

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Commençons par dire que les rayons γ (gamma, lettre grecque) sont une forme de rayonnement électromagnétique, comme la lumière visible, mais beaucoup plus énergétique, et, à ce titre, sont constitués de photons, quanta élémentaires de rayonnement électromagnétique, qui n'ont pas de charge électrique.

Dans cet article, vous allez apprendre ce que sont les rayons gamma : comment ils sont produits, qui les a découverts, comment ils sont fabriqués et quelle est leur utilité en médecine.

Où et à partir de quoi les rayons gamma sont-ils produits?

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Inductiveload, Public domain, via Wikimedia Commons

Le rayonnement gamma est un rayonnement électromagnétique ionisant. Il a le pouvoir de pénétration le plus élevé et se forme lors de la désintégration spontanée de noyaux atomiques radioactifs (nucléides). Après la désintégration alpha ou bêta-moins, les noyaux restent généralement dans un état de forte activité. Cet excédent d’énergie est libéré par des photons, appelés quanta gamma, afin de ramener le noyau à un état fondamental stable. Cette désintégration n’entraîne aucune modification du nombre de masse ou de la charge nucléaire de l’atome. Elle a une très grande portée et traverse presque toutes les matières. Des plaques de plomb épaisses sont donc nécessaires pour les protéger efficacement.

Le terme de rayonnement gamma englobe tout rayonnement électromagnétique dont l’énergie quantique est supérieure à 200 keV (kilo-électron-volt). Lorsqu’un tel quantum gamma quitte le noyau en décomposition, il a une vitesse constante égale à la vitesse de la lumière dans le vide. Le mode de production ne joue aucun rôle dans ce cas. En ce sens, il est presque identique au rayonnement X. Il est surtout utilisé en astronomie pour désigner un rayonnement dont l’origine n’est pas claire ou en radioprotection, lorsque l’origine du rayonnement ne joue aucun rôle.

Pour dire les choses le plus simplement possible, les rayons gamma sont produits lorsqu’un noyau atomique passe d’un état énergétique « excité » à son état fondamental après une désintégration alpha ou bêta, en libérant de l’énergie sous forme de photons de haute énergie (rayons gamma).

On appelle ce processus la transition gamma.

Comment bloquer le rayonnement gamma?

Les rayonnements ionisants, par exemple les rayons X et les rayons gamma, mais aussi les rayons alpha et bêta et les neutrons provoquent des dommages biologiques (importants) qui se traduisent ensuite par des dommages pour la santé, généralement des cancers ou des tumeurs, car le mécanisme à l’origine des dommages en question est direct et lié à l’énergie considérable associée aux particules ou aux rayonnements ionisants.

D’une manière générale, plus l’énergie associée aux rayonnements ionisants est élevée, plus les dommages qu’ils peuvent causer sont importants. Un effet frappant des mutations de l’ADN des plantes induites par la radioactivité liée à l’accident de la centrale nucléaire de Chernobyl.

En fait, lorsque les rayonnements ionisants traversent un matériau, ils déposent suffisamment d’énergie pour briser les liaisons moléculaires et déplacer (ou enlever) les électrons des atomes. Ce déplacement d’électrons crée deux particules chargées électriquement (ions), qui peuvent provoquer des changements dans les cellules vivantes des plantes, des animaux et des personnes. Les rayonnements ionisants sont donc potentiellement dangereux s’ils ne sont pas utilisés correctement et suffisamment bloqués.

Plusieurs types de matériaux sont capables de bloquer les rayons gamma et sont a ce terme couramment utilisés en médecine ou encore en astronomie : le plomb (plaque de plomb en radiothérapie), le béton et également les plastiques (polymère) haute densité. À noter aussi que les masques anti-radiations peuvent absorber une partie des rayons gamma en cas d’accident nucléaire par exemple… Mais, heureusement pour les habitants de la Terre, les rayons gamma de l’univers sont absorbés par l’atmosphère terrestre.

Quand les rayons gamma ont-ils été découverts?

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Le 8 novembre 1895, le physicien allemand Wilhelm Röntgen découvre accidentellement l’existence des rayons X et donc des rayons gamma, une innovation qui va révolutionner la médecine en quelques mois. L’année suivante, le premier service de radiologie au sein d’un hôpital était déjà en activité au Royaume-Uni et, en peu de temps, les rayons X ont commencé à être utilisés dans le monde entier pour obtenir des images de fractures osseuses et de blessures par balle. En 1901, cette découverte a valu à Röntgen le prix Nobel.

Röntgen est mort dans la pauvreté en 1923 et, dans son testament, il a exprimé le souhait que toute sa correspondance scientifique soit brûlée. C’est pourquoi nous ne disposons pas aujourd’hui d’un récit détaillé de ce qui s’est passé le jour de la découverte. Ce dont nous sommes certains, c’est qu’il s’agit d’une découverte tout à fait accidentelle: Röntgen réalisait des expériences avec un tube fluorescent et une capsule en verre sous vide dans laquelle on faisait passer un flux d’électrons.

Alors qu’il travaillait, le physicien s’est rendu compte qu’un panneau, saupoudré d’un produit chimique particulier et situé à quelques mètres de lui, s’était mis à briller faiblement. Cela s’est produit même après que Röntgen ait essayé de couvrir le tube avec des feuilles de carton noir, en travaillant dans une pièce complètement sombre. Ce qui éclairait le panneau devait pouvoir pénétrer la couche de papier : Röntgen avait découvert (sans le savoir) que, dans certaines conditions, les électrons émis par les tubes avec lesquels il travaillait se transformaient en un rayonnement électromagnétique capable de pénétrer la plupart des matériaux.

Comment sont-ils fabriqués et quelle est la fréquence des rayons gamma ?

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Contrairement aux autres rayonnements, la source est donc liée aux processus nucléaires et non au mouvement rapide des électrons. Les rayons gamma sont fabriqués par les photons les plus énergétiques connus, ceux qui, avec les rayons X, donnent naissance à l’univers dit « violent ».

C’est pourquoi, lorsqu’on parle de l’étude du rayonnement gamma en astronomie, on fait souvent référence au concept d’un univers violent, comme la matière tombant dans un trou noir, une explosion de supernova ou un GRB . En revanche, les rayons gamma de l’ordre du méga-électronvolt peuvent également être provenir du système solaire, c’est-à-dire du rayonnement solaire mais aussi de l’atmosphère terrestre lors d’orages. Les rayons gamma les plus intéressants, cependant, sont ceux d’origine extragalactique. 

D’un point de vue théorique, il n’y a pas de limites dans le spectre de fréquences des ondes électromagnétiques et gravitationnelles. Il existe cependant des limites pratiques, principalement liées à la puissance et aux caractéristiques des émetteurs de ces ondes.

Jusqu’à présent, aucune onde gravitationnelle, qui est prédite par la théorie de la relativité générale, n’a été directement observée. Les détecteurs actuellement en service pourraient observer des ondes gravitationnelles à des fréquences allant de 10-4 Hz à quelques milliers de Hz. Dans le cas électromagnétique, la plus haute fréquence observée est celle des rayons gamma de la nébuleuse du Crabe et de certaines galaxies actives, et est de l’ordre de 1027 Hz

On suppose toutefois que des rayons gamma « diffus » ayant des énergies de quelques milliers de TeV, et donc des fréquences de l’ordre de 1030 Hz, peuvent exister. Dans ces cas, il est important de tenir compte de la distance de l’émetteur par rapport aux observateurs, car à ces énergies, l’Univers n’est plus transparent et les photons produits perdent une partie de leur énergie lors de leur voyage vers la Terre.

Comment utiliser les rayons gamma en médecine ?

En radiologie médicale, on utilise énormément les rayons gamma (même 300 keV) pour obtenir des images diagnostiques des dents, des os du squelette et d’autres parties du corps. Avec la tomographie axiale computérisée (CT) et la mammographie, les images des organes internes (comme le cerveau), des tissus denses ou encore des tissus angiographiques sont révélées dans les moindres détails.

Des rayonnements gamma encore plus énergétiques sont utilisés pour traiter certaines formes de cancer, bien que ces mêmes rayonnements puissent provoquer un cancer dans les cellules saines touchées. Pour éviter cela, dans certains cas, des faisceaux concentrés de rayons gamma sont envoyés depuis différentes directions contre les cellules cancéreuses cibles.

On retiendra que les rayons gamma sont utilisés en médecine nucléaire, en radiothérapie et dans le traitement des tumeurs et des maladies cancéreuses.

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