Les rayons X sont absorbés lorsqu'ils traversent la matière. Lorsqu'un faisceau de rayons X d'intensité I traverse un absorbeur ayant un coefficient d'absorption linéaire dépendant de l'énergie photonique µ(E), la perte d'intensité est à peu près proportionnelle à l'intensité et à l'épaisseur de l'absorbeur x :

L'intégration de cette expression délivre la partie I(x) de l'intensité incidente I0 trouvée derrière l'absorbeur :

Le coefficient d'absorption linéaire µ est corrélé avec le coefficient d'absorption β via

β (valeurs listées par exemple) est la partie imaginaire de l'indice complexe de réfraction n* :

Il y a trois effets impliqués dans l'absorption des rayons X : l'effet Compton, l'effet photoélectrique et la production de paires. Chacun de ces effets contribue à la taille de la section d'absorption σtotal, qui indique la probabilité qu'un photon interagisse avec la matière lorsqu'il passe à travers une couche de matière :

La plupart des optiques à rayons X utilisent des énergies photoniques inférieures à 1 MeV. Dans ce cas, la majeure partie de l'absorption est due à l'absorption photoélectrique.

 

Fig. 1 : Coefficient d'absorption de masse totale pour le plomb avec les contributions de l'absorption photoélectrique, de la diffusion de Compton et de la formation de paires électron-positon [Eng 1966].

 

L'absorption photoélectrique se produit lorsqu'un photon de rayons X transfère de l'énergie à un électron dans l'absorbeur. Les électrons liés dans les atomes ont des niveaux d'énergie discrets. Les différences d'énergie lors d'un saut entre ces niveaux d'énergie sont illustrées à la figure 2.

 

Electron binding energies over atomic number

Fig. 2 : Energies de liaison des électrons en fonction du nombre atomique des atomes et du type de transition : télécharger les données [Hen 1993].

 

Pour les niveaux d'électrons internes, l'énergie de liaison augmente approximativement proportionnellement au carré du nombre atomique Z. Cette relation est connue sous le nom de loi de Moseley [Mos 1913] :

avec le quantum d'action h de Planck, la fréquence f du photon absorbé (ou émis) à une transition d'un électron entre deux niveaux avec les nombres quantiques principaux m et n, de la constante de Rydberg Ry, du nombre atomique Z et un facteur de protection K (le nombre de charge nucléaire apparaît plus petit pour l'électron considéré si les électrons supplémentaires sont aux niveaux internes). Ry est

avec la constante de structure fine et la longueur d'onde de Compton λC,e de l'électron.

 

[Eng 1966] H. A. Enge, Introduction to nuclear physics, p. 193, Addison-Wesley, 1966
[Hen 1993]

B. L. Henke, E. M. Gullikson, and J. C. Davis. X-ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E=50-30000 eV, Z=1-92, Atomic Data and Nuclear Data Tables Vol. 54 (no.2), p. 181-342, July 1993

[Mos 1913] H. G. J. Moseley, The High Frequency Spectra of the Elements, Phil. Mag., p. 1024,  1913
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