Une analyse hyperfine
Comme les rayons X, les rayons gamma peuvent servir à éclairer un matériau afin d’en connaître certaines caractéristiques. Il y a 50 ans, le physicien allemand Rudolf Mössbauer a découvert un effet particulier résultant de l’absorption de photons gamma par certains isotopes. Cet « effet Mössbauer » n’est observé que dans des solides contenant de tels « atomes-sondes ». Le fer 57, relativement abondant, est le plus fréquemment utilisé parmi la quarantaine d’isotopes dont les noyaux peuvent jouer ce rôle de sonde.
En mesurant les intensités du rayonnement transmis par le matériau relativement à une certaine gamme d’énergie (c’est le principe de la spectroscopie), il est possible de déterminer non seulement la structure des couches d’électrons, comme pour la spectroscopie d’absorption X (lire Soleil et batteries ci-contre), mais aussi des caractéristiques moins accessibles à la spectroscopie X. Il s’agit notamment de la structure nucléaire dite hyperfine des atomes qui décrit très précisément les interactions électriques et magnétiques qui s’exercent entre le noyau-sonde, les électrons et les atomes environnants.
La spectroscopie Mössbauer nécessite souvent de soumettre l’échantillon à une température très basse ou très élevée lors de son irradiation, parfois en présence d’un champ magnétique intense. Elle intéresse de nombreux domaines : la physique et la chimie fondamentales, la métallurgie (pour identifier des propriétés ou des défauts de structure, des phénomènes de corrosion...), la minéralogie, la géologie ou l’archéologie (par exemple afin de retracer des événements subis par des matières minérales), la conception de nouveaux matériaux, etc.
Depuis janvier 2004, deux spectromètres Mössbauer miniaturisés et embarqués sur les robots de la mission Mars Exploration Rover analysent finement les minéraux du sol martien, notamment afin de détecter d’éventuelles traces d’eau.
Robot Spirit analysant le sol de Mars Nasa / JPL / CornellProtons des arts
© C2RMF / Dominique BagaultLorsqu’on irradie un matériau pour l’analyser, certains de ses atomes sont « excités » puis reviennent dans un état stable en émettant à leur tour un rayonnement qui est caractéristique du matériau. Cette réaction est néanmoins variable selon les propriétés du rayonnement incident. Par conséquent, en fonction des besoins de l’analyse, l’emploi de particules matérielles peut être plus approprié que celui d’ondes électromagnétiques.
Le bombardement par des particules chargées est fréquemment utilisé en archéologie et par certains musées pour obtenir des informations sur la composition chimique d’oeuvres d’art. Pixe (Particle Induced X-Ray Emission) est l’une des techniques employées avec Aglaé, un accélérateur de particules installé au Centre de recherche et de restauration des musées de France (C2RMF). Un faisceau de protons permet d’examiner des objets de toutes tailles en mesurant les rayons X induits. Sans prélèvement, en laissant intact l’objet analysé, il est ainsi possible d’identifier des éléments présents en très faibles quantités ou ceux dont la présence est spécifique d’un lieu, d’une époque ou encore d’un procédé de fabrication.
Les chercheurs du C2RMF ont montré, par exemple, que les yeux d’une statuette de la déesse Ishtar, datant du début de notre ère, sont de véritables rubis. Leurs teneurs en chrome et en fer ont même révélé qu’ils proviennent de Birmanie et ont conforté l’hypothèse d’une route des pierres précieuses reliant la Mésopotamie et l’Asie du Sud-Est à cette époque.
L’énergie du faisceau utilisé par Pixe, proche de 3 MeV, permet de sonder un objet sur quelques dizaines de micromètres de profondeur. La technique est en cours d’adaptation sur des accélérateurs de plus hautes énergies afin d’obtenir des informations sur une plus grande profondeur. Une énergie de 70 MeV, accessible par le cyclotron Arronax, permettrait de sonder une oeuvre sur un centimètre d’épaisseur
DOSSIER
Les rayons du progrès
La matière éclairée
Soleil et batteries
Les rayons X jouent un rôle essentiel dans la caractérisation des matériaux : l’observation de leur diffraction (déviation par un réseau d’atomes), de leur absorption ou de leur émission par la matière ciblée fournit de nombreuses informations sur cette dernière.
Dans les laboratoires, ils sont classiquement produits à l’aide de tubes, tel celui de Crooks, en faisceaux peu intenses et monochromatiques (dont les photons ont presque tous la même énergie). Dans un rayonnement synchrotron, dont la gamme d’énergie s’étend des infrarouges jusqu’aux rayons X « durs », leur intensité surpasse celle de toute autre source de rayonnements artificielle (au moins 1012 fois plus qu’un tube classique).
Pour disposer d’un rayonnement synchrotron en continu, très utile à la recherche, la France vient de construire le centre Soleil à Saclay, dans l’Essonne. Des électrons de très haute énergie y circulent dans un anneau de 354 mètres de périmètre parmi les plus performants du monde en termes d’intensité, de gamme d’énergie et de stabilité. Le rayonnement synchrotron est émis à chaque fois que la trajectoire des électrons est déviée par un champ magnétique produit par un électro-aimant.
La spectroscopie d’absorption X, qui nécessite un tel rayonnement, consiste à observer la variation de l’absorption, par l’échantillon, des rayons X en fonction de leur énergie. Elle donne des informations uniques sur la structure du matériau et sur l’état des couches électroniques de ses atomes, en particulier le degré d’oxydation de chaque élément qui indique, par exemple, le niveau de corrosion.
Nous commençons d’appliquer cette technique à l’étude des nouvelles batteries au lithium. Dans une batterie circulent des ions et des électrons qui produisent le courant électrique. La spectroscopie d’absorption X permet d’en déterminer précisément la localisation et de décrire la structure des électrodes. La grande intensité du rayonnement produit par Soleil permet aussi d’étudier une batterie pendant qu’elle fonctionne, sur une durée voisine de la seconde. Il est ainsi possible de mieux comprendre son fonctionnement et ses dysfonctionnements afin d’en accroître la capacité de stockage d’énergie, la durée de vie et la sécurité d’utilisation.
Le synchrotron Soleil
Après leur accélération, des électrons ayant acquis une énergie de 2,75 milliards d’électron-volts (GeV) circulent presque aussi vite que la lumière dans un anneau de stockage, grâce à l’action d’électro-aimants qui courbent leur trajectoire. Le rayonnement synchrotron est émis tangentiellement à cette courbe en un faisceau étroit et extrêmement brillant, dans une « ligne de lumière » au bout de laquelle on le fait interagir avec un échantillon. Il y aura en tout 24 lignes de lumières.
Synchrotron Soleil © RC2C