Section efficace

En physique nucléaire ou en physique des particules, la section efficace est une grandeur physique reliée à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée. L'unité de section efficace est une unité de surface ; on utilise traditionnellement le barn (b) : 1 b = 10^-24 cm² = 100×10^-30 m² , soit la surface d'un carré de dix femtomètres de côté (c'est-à-dire l’ordre de grandeur du diamètre d'un noyau atomique).

Historique

L'idée d'utiliser une surface pour exprimer une telle probabilité d'interaction remonte probablement à la découverte du noyau et de sa petitesse par Rutherford en 1911^[1] : en bombardant une mince feuille d'or avec des rayons alpha, on constate peu de déviations de ces particules, comme si la surface utile de l'atome (en fait celle de son noyau) était toute petite, comme le soleil dans le système solaire.

Principe

Illustration conceptuelle. La surface désignée par S dans le texte est ici appelée A (pour l'aire).

Statistiquement, les centres d'atomes disposés sur une mince surface peuvent être considérés comme des points répartis uniformément sur ce plan. Le centre d'un projectile atomique heurtant ce plan a une probabilité géométriquement définie de passer à une certaine distance r d'un de ces points. En fait, s'il y a n atomes dans une surface S de ce plan, cette probabilité est de $\frac{n \pi r^2}{S}$, ce qui est simplement le rapport entre la surface totale occupée par des cercles de rayon r et la surface S du plan. Si nous considérons les atomes comme des disques d'acier impénétrables et la particule comme une bille de diamètre négligeable, ce rapport est la probabilité que la bille heurte un des disques, c'est-à-dire que le projectile soit arrêté par la surface.

En d'autres termes, la section efficace est la surface fictive que devrait avoir une particule cible pour reproduire la probabilité observée de collision ou de réaction avec une autre particule en supposant que ces collisions se produisent entre objets matériels impénétrables.

Cette notion peut être étendue à n'importe quelle interaction entre collision de particules telle que : réaction nucléaire, diffusion de particules, diffusion de la lumière. Par exemple, la probabilité qu'une particule alpha heurtant une cible de béryllium produise un neutron peut être exprimée par la surface fictive qu'aurait le béryllium dans ce type de réaction pour obtenir la probabilité de cette réaction selon ce scénario.

La section efficace est peu dépendante de la taille réelle de la particule en question et varie surtout en fonction de la nature exacte de la collision ou de la réaction, et des interactions existantes entre les particules concernées. Ceci explique l'emploi de l'expression section efficace au lieu de section plus simplement.

Unité

Le rayon typique des particules nucléaires est de l'ordre de 10^-14 m. Nous pourrions donc nous attendre à des sections efficaces pour des réactions nucléaires de l'ordre de πr², soit environ 10^-28 m² (=10^-24 cm²), ce qui explique l'emploi d'une unité, le barn, ayant cette valeur.

Les sections efficaces observées varient de façon importante, en fonction de la nature et de la vitesse des particules. Ainsi pour la réaction (n, γ) d'absorption de neutrons lents (ou « thermiques »), la section efficace peut dépasser 1 000 barns, tandis que les sections efficaces des transmutations par absorption de rayons γ sont plutôt de l'ordre de 0,001 barn. Les sections efficaces des processus observés ou recherchés dans les accélérateurs de particules sont quant à elles de l'ordre du femtobarn. La section géométrique d'un noyau d'uranium vaut 1,5 barn.

Voir aussi

Articles connexes

• Diffusion Thomson
• Diffusion Compton
• Diffusion de Rayleigh
• Borne de Froissart, propriété des sections efficaces les limitant au carré du logarithme de l'énergie de la collision

Lien externe

• Base de données de sections efficaces nucléaires couramment utilisées
• Nuclear Data Services - IAEA

Sources

1. ↑ (en) [1]