L'héritage de l'industrie nucléaire française implique aujourd'hui la multiplication des chantiers de démantèlement des Installations Nucléaires de Base (INB). Dans ce contexte, le développement de nouvelles techniques de détection de la pollution radioactive basées sur l'interaction entre le rayonnement et l'eau s'avère de plus en plus pertinent. Mais pour parvenir à cette fin, il est impératif de bien comprendre la chimie qui se produit dans les traces d'ionisation générées par des particules ionisantes. La chimie qui se déroule dans les Pics de Bragg (PB) est mal connue, en raison de la très faible largeur de ces PB, inférieure au millimètre. Pour mieux comprendre les processus chimiques qui s'y passent, il est nécessaire de recourir à des techniques de haute résolution permettant une détermination directe des rendements dans le PB. Les résultats obtenus présentent aussi un grand intérêt dans des domaines tels que l'hadronthérapie ou les effets des rayonnements cosmiques sur l'homme.Les mesures effectuées avec un spectromètre à haute résolution conçu pendant cette thèse ont permis de sonder les PB de faisceaux de protons et d'ions carbone. En utilisant différents systèmes de capteurs, l'objectif de cette étude était d'étudier les rendements des espèces radiolytiques majeures à la fois globalement et individuellement, en associant des mesures en absorbance et en fluorescence. Les mesures de spectrométrie ont été complétées avec celles de chimiluminescence pour étudier le rendement de H₂O₂ et celles en comptage de photon pour évaluer l'impact d'un faisceau ionisant sur les propriétés dynamiques de fluorescence des capteurs fluorescents. Enfin des simulations réalisées avec Geant4-DNA ont été faites afin d'apporter une compréhension supplémentaire.Les résultats obtenus à l'issue des campagnes d'irradiation entreprises au cours de la thèse ont révélé des phénomènes intéressant et inédit dans le PB et ont permis de tirer plusieurs conclusions : (1) Avec le dosimètre de Fricke, les rendements montrent une chute dans le PB, qui est suivie d'une remontée après le PB. Cette remontée est attribuée à la dispersion longitudinale en énergie du faisceau d'ions, entraînant une diminution du TEL moyen en fin de trace. Cette remontée a été observée avec d'autres systèmes de capteurs (méthylviologène-tertiobutanol, résazurine (RNO) et AmplexRed (AR)) mais elle n'a pas été constatée avec les systèmes méthylviologène-formate et ferrocyanure. (2) Les résultats suggèrent que les capteurs organiques sont sensibles aux attaques d'espèces réactives produites dans les traces d'ionisation, en particulier dans le cas du résorufin. Par conséquent, l'utilisation de faisceaux pulsés est recommandée lors de l'utilisation de tels systèmes. (3) Les systèmes à base de sels, tels que le ferrocyanure, ont montré une capacité à fournir des rendements en accord avec les simulations de Geant4-DNA dans l'eau pure, ce qui en fait une option pertinente pour la mesure de rendements sous irradiation continue. (4) Les mesures préliminaires de comptage de photons n'ont pas révélé d'impact significatif des faisceaux d'ionisation sur les propriétés de durée de vie de fluorescence du résorufin formé à partir de RNO et AR. (5) L'utilisation de Geant4-DNA permet d'améliorer la compréhension des réactions chimiques se déroulant dans les traces d'ionisation. Cependant, le logiciel est limité à la simulation de faisceaux d'ions à très faible débit de dose, ce qui l'empêche de reproduire les phénomènes ayant lieu sous irradiation continue. L'intégration du calcul multithread pourrait aider à résoudre partiellement ce problème. (6) Les résultats produits avec cette thèse constituent une étape supplémentaire dans l'élucidation complète de la chimie opérant au niveau du PB des faisceaux d'ions. D'autres études doivent être menées en utilisant des appareils avec des résolutions spatiales améliorées et en combinant des expériences sous faisceau continu et sous faisceau pulsé.