Matière et Rayonnements

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1 Matière et Rayonnements
les techniques expérimentales d’observation et d’analyse des matériaux 1ère partie II - Les Interactions rayonnement - matière

2 Introduction : quelques rappels sur des notions de base
PLAN Introduction : quelques rappels sur des notions de base I - rappels sur la structure de la matière II - généralités sur les interactions Interactions rayonnement-matière interactions électrons-matière III - particules chargées IV - neutrons Interactions moléculaires Interactions rayons X- matière V - rayonnements électromagnétiques … Les ions

3 Les techniques expérimentales (analyse et observation)
Principe général de fonctionnement électrons photons ions particules diverses électrons photons ions particules diverses Interactions - élastiques - inélastiques mécanismes d’interactions physique structure de la matière Informations sur la nature de la cible perte d’énergie (transfert d’énergie) diffusion (variation angulaire) absorption cible mince

4 I – Rappels sur la structure de la matière
échelle macroscopique I – Rappels sur la structure de la matière exemple de matériaux métalliques Fer : structure polycristalline 100 µm échelle microscopique 10 Å (1 nm) monocristal de Fer (maille cubique centré) échelle nanoscopique atome de fer 1 Å (0,1 nm) noyau électrons (26)

5 structure électronique
Structure atomique structure électronique nuage électronique : Z électrons A nucléons : Z protons A-Z neutrons noyau A Z symbole chimique 1 µm (micro) : 10-6 m 1 nm (nano) :10-9 m 1 pm (pico) : m 1 fm (femto) : m 1 F (Fermi)=1 fm 1 am (atto) : m structure du noyau

6 I.1 - Structure du noyau neutron proton quark u (« up ») : +2/3 e quark d (« down ») : -1/3 e charge : +1e charge : 0 Fe : noyau : - 56 nucléons (A) 26 protons (+Z) 30 neutrons atome 1 Å (0,1 nm ou 10-10m) 10 fm (10-14m) masses : électron : 9, kg (0,511 MeV) proton : 1, kg (938,21 MeV) neutron : 1, kg (939,51 MeV) nucléon : 3 quarks liés par un échange de gluons + des paires « quarks-antiquarks » virtuels

7 II - Généralités sur les interactions
a) Interactions rayonnement-matière : influence de l ’énergie primaire Classification des énergies mises en jeu Unités d’énergie : - Joule (J) - erg (non légal !)(1erg=10-7 J) - électron-volt (eV) (1 eV=1, J) (E=kT avec k=1, J.K-1=8, eV.K-1) (300K  kT=0,0258 eV) - Kelvin (K) (1eV=11400 K, 1K=8, eV) très faible énergie <1 eV Faible énergie 1eV à 1 keV Haute énergie 1keV à 100keV très haute énergie >100keV meV MeV

8 Mécanismes mis en jeu en fonction de l’énergie
structure nucléaire Energie du rayonnement incident structure électronique structure moléculaire ou cristallographique

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10 b) Particules incidentes : caractéristiques
Intensité I : nombre de particules par unité de temps (I=N/t) (s-1) flux F : intensité par unité de surface (F=I/S) (cm-2.s-1) Énergie E (J ou eV) vecteur d’onde k direction et sens du flux incident module proportionnel à l’énergie flux surface concentration atomique de la cible largeur de la cible

11 Électrons, protons, ions
neutrons énergie (cinétique) : quantité de mouvement : masse : m vitesse : v longueur d’onde associée : vecteur d’onde : photons énergie : nombre d’onde (cm-1) : fréquence : n (Hz) longueur d’onde : pulsation : vecteur d’onde : c=2, cm/s h=4, eV.s =1, J.s

12 électron et longueur d’onde
non relativiste : relativiste non-relativiste relativiste , , , , , , , , Energie l v l v ( keV) (nm) (km/s) (nm) (km/s) Dv/v 1% 6% 12% 52%

13 c) Interactions rayonnement-matière
nature du rayonnement primaire particules rayonnements électromagnétiques particules chargées électrons microscopies électroniques spectrométrie Auger diffraction électronique protons PIXE (émission de rayons X induit par protons) ions SIMS (Spectrométrie d’émission ionique secondaire) SDL (spectrométrie à décharge luminescente) FIB (faisceau d’ions focalisés) neutrons diffusion de neutrons activation nucléaire micro-onde Infra-rouge spectrométries d’absorption (IR et Raman) spectrométries d’émission (étincelle, ICP) Ultra-violet spectrométrie de fluorescence UV Rayons X spectrométrie de fluorescence X spectrométrie de photoélectrons diffraction X Rayons g spectrométrie Mössbauer

14 Interactions électrons-matière avec une cible massive
rayonnements observés émissions électroniques E 50eV électrons secondaires rétrodiffusés Auger dI dE Contraste de Z contraste topographique cartographie X spectre élémentaire émissions X électrons primaires E courant absorbé

15 Interactions électrons-matière avec une cible mince
cartographie X contraste topographique spectre élémentaire électrons Spectre électrons caractéristique primaires électrons secondaires rétrodiffusés E fond continu l Contraste de Z émissions X 50eV E dI dE émissions électroniques E électrons Auger électrons diffractés structure cristallographique k q h l électrons transmis image spectre de pertes d'énergie (EELS) spectre élémentaire électrons diffusés a Microscopie électronique en transmission (TEM-STEM) courant absorbé

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17 Interaction avec les électrons de cœur
transition radiative rendement de fluorescence wK Interaction avec les électrons de cœur rayonnements caractéristiques de la composition chimique de la cible a + w =1 transition Auger rendement Auger aK électron secondaire DE>EK électron primaire (de plus faible énergie)

18 zone inter-dendritique
Contraste de nombre atomique : électrons rétrodiffusés (interaction élastique e- / noyau) dendrite (plus riche en Ni) zone inter-dendritique (plus riche en Cr) Carbures de W Visualisation de carbures de W dans une matrice Cr-Ni par détection des électrons rétrodiffusés : Les carbures WC ont un Z plus élevé que la matrice Cr-Ni (70 contre 25), ils ont une plus forte émission rétrodiffusé. On peut même observer les dendrites de solidification de l’alliage (la dendrite est plus riche en Ni)

19 L’émission électronique secondaire
électrons issus de la cible (après ionisation) faible énergie moyenne (5 à 50 eV) (énergie la plus probable : 20 eV) Spectre d’émission électronique de surface électron secondaire électron primaire incident électron secondaire électron primaire diffusé pas d’influence directe de Z très sensible aux défauts de surface

20 Conséquence de la faible énergie des électrons secondaires
libre parcours moyen faible (quelques nm) l’électron secondaire perd rapidement toute son énergie sur quelques dizaines de nm… Seuls, les secondaires émis près de la surface auront une probabilité non-nulle de s’échapper et d’être détectés Emission de surface de petits défauts de surface auront une forte influence sur l’émission par une absorption plus ou moins grande Contraste topographique

21 Images en électrons secondaires
fibre de verre tête de mouche Images en électrons secondaires grains de pollen

22 (latéral et en profondeur)
Résolutions spatiales selon le signal analysé (MEB et MS) sur échantillons massifs émission Auger :  nm (latéral et en profondeur) émission secondaire : quelques nm (latéral et en profondeur) MEB émission rétrodiffusée : quelques dixièmes de µm (latéral et en profondeur) émission X directe :  µm (latéral et en profondeur) ! échelle logarithmique émission X de fluorescence :  10 µm (latéral et en profondeur) Microanalyse

23 V- Interactions photon-matière
niveaux vibrationnels excitations électroniques niveaux rotationnels ionisation et excitation électronique, diffraction interactions nucléaires vibrations moléculaires

24 Classification des rayonnements électromagnétiques
Classification des rayonnements électromagnétiques Domaine Radiofréquences Micro-ondes IR lointain IR moyen IR proche visible proche UV UV moyen UV lointain Rayons X mous Rayons X moyens rayons X durs Rayons g Energie (eV) – 10-6 10-6 – 10-3 1, – 0,05 0,05 – 0,6 0,6 – 1,9 1,9 – 3,1 3,1 – 4,1 4,1 – 15 15 – 100 100 – 1000 1000 – 5 104 5 104 – 105 104 – 5 108 Fréquence (Hz) 105 – 3 108 3 108 – – 1,2 1013 1, – 1,5 1014 1, – 4,6 1014 4, – 7,5 1014 7, – 1015 1015 – 3,6 1015 3, – 2,4 1016 2, – 2,4 1017 2, – 1,2 1019 1, – 2,4 1019 – 1,2 1023 Longueur d’onde 3000m –1m 1m – 1mm 1mm – 25µm 25µm – 2 µm 2µm – 0,65µm 0,65µm – 0,38µm 0,38µm – 0,30µm 0,30µm – 200nm 200nm – 10nm 10nm – 1,2nm 1,2nm – 0,02nm 0,02nm – 0,012nm 0,1nm – nm Nombre d’onde (cm-1 ou Kayser) – 0,01 0,01 – 10 10 – 400 400 – 5000 5000 – 15500 15500 – 25000 25000 – inusité 10-6 eV  108 eV Hz 1023 Hz nm  103 m

25 Diffusion cohérente : notions succinctes sur la diffraction
Lors de la diffusion cohérente, chaque atome du réseau diffuse l’onde plane sous forme d’une onde sphérique. En raison de la périodicité du cristal, les ondes sphériques diffusées interfèrent entre elles… Il apparaît des directions de diffusion privilégiées où les ondes ont une forte intensité  diffraction

26 Condition de diffraction
Loi de Bragg : onde plane incidente onde plane diffractée Si la différence de chemin optique entre les ondes 1 et n est un nombre entier de longueur d’onde, les amplitudes s’ajoutent Si non elles s’annihilent… AO1 + O1B =3(2d.sinq) = nl 2d.sinq = nl Condition de diffraction de Bragg Origine du phénomène de diffraction : rayons X : interactions élastiques avec le nuage électronique électrons : interactions élastiques avec le noyau et le nuage électronique neutrons : interactions élastiques avec le noyau