Production des rayons X
Il existe trois mécanismes communs de production des rayons X : l’accélération d’une particule chargée, les transitions atomiques entre des niveaux d’énergie discrets et la désintégration radioactive de certains noyaux atomiques. Chaque mécanisme conduit à un spectre caractéristique de rayonnement X.
Dans la théorie de l’électromagnétisme classique, les charges électriques accélérées émettent des ondes électromagnétiques. Dans la source terrestre de rayons X la plus courante, le tube à rayons X, un faisceau d’électrons de haute énergie frappe une cible solide. Lorsque les électrons rapides du faisceau interagissent avec les électrons et les noyaux des atomes de la cible, ils sont déviés et ralentis à plusieurs reprises. Au cours de cette décélération brutale, les électrons du faisceau émettent des bremsstrahlung (en allemand : « rayonnement de freinage ») – un spectre continu de rayonnement électromagnétique avec un pic d’intensité dans la région des rayons X. La majeure partie de l’énergie rayonnée dans un tube à rayons X est contenue dans ce spectre continu. Des sources beaucoup plus puissantes (et beaucoup plus grandes) d’un continuum de rayons X sont les accélérateurs de particules synchrotron et les anneaux de stockage. Dans un synchrotron, les particules chargées (généralement des électrons ou des positrons) sont accélérées à des énergies très élevées (généralement des milliards d’électron-volts) puis confinées dans une orbite fermée par de puissants aimants. Lorsque les particules chargées sont déviées par les champs magnétiques (et donc accélérées par le changement de leur direction de mouvement), elles émettent ce que l’on appelle le rayonnement synchrotron, un continuum dont l’intensité et la distribution des fréquences sont déterminées par la force des champs magnétiques et l’énergie des particules en circulation. Des sources de rayonnement synchrotron spécialement conçues sont utilisées dans le monde entier pour l’étude des matériaux par rayons X.
Dans un tube à rayons X, en plus du spectre continu de rayonnement émis par les électrons en décélération, il existe également un spectre de lignes d’émission de rayons X discrètes qui est caractéristique du matériau cible. Ce « rayonnement caractéristique » résulte de l’excitation des atomes de la cible par des collisions avec les électrons qui se déplacent rapidement. Le plus souvent, une collision provoque d’abord l’éjection d’un électron de la couche interne, étroitement lié, de l’atome ; un électron de la couche externe, faiblement lié, tombe alors dans la couche interne pour combler la vacance. Au cours de ce processus, un seul photon est émis par l’atome avec une énergie égale à la différence entre les états de vacance de la coquille interne et de la coquille externe. Cette différence d’énergie correspond généralement aux longueurs d’onde des photons dans la région des rayons X du spectre. Un rayonnement X caractéristique peut également être produit par un matériau cible lorsqu’il est exposé à un faisceau de rayons X primaires. Dans ce cas, les photons de rayons X primaires initient la séquence de transitions électroniques qui aboutit à l’émission de photons de rayons X secondaires.
En 1913, le physicien anglais Henry Moseley a découvert une relation simple entre les longueurs d’onde des raies d’émission de rayons X d’une cible et le numéro atomique de l’élément cible – les longueurs d’onde sont inversement proportionnelles au carré du numéro atomique. Connue sous le nom de loi de Moseley, cette relation s’est avérée être un outil définitif pour la détermination des numéros atomiques aux premiers jours de la physique atomique. Les techniques de fluorescence des rayons X, dans lesquelles les longueurs d’onde des rayons X caractéristiques sont enregistrées après l’excitation d’une cible, sont maintenant couramment utilisées pour identifier les constituants élémentaires des matériaux.
L’émission de rayons X est parfois un sous-produit d’une transformation nucléaire. Dans le processus de capture d’électrons, un électron atomique de l’enveloppe interne est capturé par le noyau atomique, initiant la transformation d’un proton nucléaire en un neutron et abaissant le numéro atomique d’une unité (voir radioactivité : Types de radioactivité). L’orbite vacante de l’enveloppe interne est ensuite rapidement remplie par un électron de l’enveloppe externe, ce qui produit un photon caractéristique des rayons X. La relaxation d’un noyau excité vers un état de plus basse énergie entraîne aussi parfois l’émission d’un photon de rayons X. Cependant, les photons émis dans le cas de la relaxation d’un noyau excité ne sont pas des photons de rayons X. Cependant, les photons émis dans la plupart des transitions nucléaires de ce type sont d’une énergie encore plus élevée que les rayons X – ils tombent dans la région des rayons gamma du spectre électromagnétique.
De nombreuses sources astronomiques de rayons X ont été découvertes au cours des 50 dernières années ; collectivement, elles constituent une riche ressource d’informations sur l’univers (voir sources de rayons X). Les rayons X sont émis par la couronne chaude du Soleil (atmosphère extérieure) et par les couronnes d’autres étoiles ordinaires de la galaxie de la Voie lactée. De nombreux systèmes stellaires binaires émettent des rayons X en abondance ; les sources les plus puissantes produisent, dans la seule région des rayons X, plus de 1 000 fois l’énergie totale produite par le Soleil. Les restes de supernova sont également de fortes sources de rayons X, qui sont parfois associés au rayonnement synchrotron produit par des particules chargées de haute énergie circulant dans des champs magnétiques intenses, et parfois aux émissions atomiques de gaz extrêmement chauds (de l’ordre de 10 millions de kelvins). Les puissantes sources extragalactiques de rayons X, notamment les galaxies actives, les quasars et les amas galactiques, font actuellement l’objet d’un examen scientifique intense ; dans certains cas, les mécanismes exacts de production des rayons X sont encore incertains ou inconnus. Comme l’atmosphère terrestre absorbe fortement les rayons X, les observations astronomiques dans la région des rayons X doivent être effectuées à partir de satellites en orbite. Le lancement de l’observatoire Chandra X-Ray en 1999 a considérablement fait progresser les capacités d’observation de l’astronomie des rayons X (voir télescope : télescopes à rayons X).