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Section efficace

Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules. L'unité de section efficace est une unité de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...), et s'appelle le barn (Le barn (symbole b) est une unité spéciale employée en physique nucléaire et en physique des particules pour exprimer les sections efficaces.) (b) : 1 b = 10-28 m2.

Historique

L'idée d'utiliser une surface pour exprimer une telle probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet...) d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) remontre probablement à la découverte du noyau et de sa petitesse par Rutherford en 1911: en bombardant une mince feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds. À l'aisselle de la feuille...) d'or avec des rayons alpha, on constate peu de déviation de ces particules, comme si la surface utile de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) (en fait celle de son noyau) était toute petite, comme le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) dans le système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant...).

Principe

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 (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) 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 (nπr2)/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 (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage...) impénétrables et la particule comme une bille de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce...) négligeable, ce rapport est la probabilité que la bille heurtera un des disques, c'est-à-dire que le projectile sera arrêté par la surface.

En d'autres termes, la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules. L'unité de section...) est la surface fictive que devrait avoir une particule cible pour reproduire la probabilité observée de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) 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 (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les électrons ou les liaisons entre les atomes. Dans une réaction nucléaire, deux noyaux atomiques entrent en...), diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire...) de particules, diffusion de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de...). Par exemple, la probabilité qu'une particule α heurtant une cible de béryllium produira un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de...) 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 existentes 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, 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 (On distingue :) des particules. Ainsi pour la réaction (n, γ) d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est...) 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.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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