Calculateur de diffusion Compton : décalage et énergie

La diffusion Compton est un phénomène fondamental de la mécanique quantique dans lequel un photon — généralement un rayon X ou un rayon gamma — entre en collision avec un électron libre ou faiblement lié et lui transfère une partie de son énergie. Le photon diffusé ressort alors avec une longueur d’onde plus grande (une énergie plus faible) que le photon incident, tandis que l’électron recule avec l’énergie cinétique transférée. La découverte de cet effet par le physicien américain Arthur H. Compton en 1923 a fourni une preuve expérimentale décisive de la nature corpusculaire de la lumière et lui a valu le prix Nobel de physique en 1927. Le décalage de longueur d’onde produit par la diffusion Compton est donné par la formule de Compton : Δλ = λ_c(1 − cosθ), où Δλ est la variation de longueur d’onde, λ_c = h/(m_e c) = 2.42631 pm est la longueur d’onde de Compton de l’électron, et θ est l’angle de diffusion entre les directions du photon incident et du photon diffusé. L’énergie du photon diffusé est : E′ = E₀ / [1 + (E₀/m_e c²)(1 − cosθ)], où E₀ est l’énergie du photon incident et m_e c² = 511 keV est l’énergie de repos de l’électron. L’énergie cinétique transférée à l’électron est égale à E₀ − E′. L’angle de diffusion détermine la quantité d’énergie transférée. À θ = 0° (diffusion vers l’avant), aucun transfert d’énergie ne se produit et le photon traverse sans être affecté. À θ = 90°, un transfert partiel d’énergie se produit et le décalage de longueur d’onde vaut exactement une longueur d’onde de Compton (2.426 pm). À θ = 180° (rétrodiffusion), le transfert d’énergie maximal possible se produit et le décalage de longueur d’onde vaut 2λ_c = 4.853 pm. La diffusion Compton a de nombreuses applications en science et en médecine. En radiologie diagnostique et en tomodensitométrie (CT), elle constitue le mécanisme d’interaction dominant pour les photons X dans la plage d’énergie diagnostique (30–150 keV), contribuant au bruit d’image et aux artefacts de diffusion. En médecine nucléaire et en tomographie par émission de positons (TEP), la compréhension des interactions Compton est essentielle pour reconstruire les images avec précision. Les caméras Compton exploitent la géométrie de diffusion pour déterminer la direction des rayons gamma incidents sans collimateurs physiques, ouvrant de nouvelles approches d’imagerie gamma. En physique des rayonnements et en conception de blindages, la diffusion Compton domine l’absorption photoélectrique et la production de paires dans la gamme d’énergie intermédiaire (environ 100 keV à 10 MeV pour les matériaux courants). Les astrophysiciens étudient la diffusion Compton dans les sources cosmiques de rayons X, et la diffusion Compton inverse — où des électrons énergétiques augmentent l’énergie des photons — est responsable d’une partie des rayonnements les plus énergétiques observés dans l’univers.