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Section efficace

Une section efficace est une grandeur physique donnant la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée. L'unité de section efficace est le barn (b):

.

En physique nucléaire et en physique des particules, il est commode d'exprimer la probabilité d'un événement particulier en terme de section efficace. 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 A de ce plan, cette probabilité est de (nπr²)/A, ce qui est simplement le rapport entre la surface totale occupée par des cercles de rayon r et la surface A du plan. Si nous considérons les atomes comme des disques en acier impénétrables et la particule comme une bille de diamètre négligeable, ce rapport est la probabilité que la bille heurtera un des disques, c'est-à-dire que le projectile sera arrêtée 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 produira 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 peut être plus petite ou plus grande que la taille réelle de la particule en question. Elle varie selon la nature exacte de la collision ou de la réaction et dépend surtout des interactions existentes entre les particules concernées. C'est pourquoi l'on parle de section efficace et non de section tout simplement.

Le rayon typique des particules nucléaires est de l'ordre de 10^-14 centimètre. Nous pourrions donc nous attendre à ce que les sections efficaces réactions nucléaires soient de l'ordre de πr², soit environ 10^-28 mètre² et l'unité habituellement utilisée, le barn, a effectivement cette valeur.

En fait les sections efficaces observées changent énormément. Ainsi pour les neutrons lents absorbés par la réaction (n, gamma) la section efficace est dans certains cas pas moins de 1 000 barns alors que les sections eficaces des transmutations par absorption de rayons gamma sont dans le voisinage de 0,001 barns.