Section efficace

Section efficace ou probabilité d’interaction d’une particule

La section efficace est le nom donné par les physiciens à la probabilité d’interaction d’une particule. Dans le domaine de la radioactivité et de l’énergie nucléaire, les particules considérées sont les rayons gamma, les neutrons et dans le cas du rayonnement de freinage les électrons bêta. Les cibles avec lesquelles elles interagissent sont les électrons et les noyaux atomiques.

Un rayon gamma arrache un électron d’une couche profonde de l’atome : un neutron est capturé par un noyau : un autre déclenche la fission d’un noyau d’uranium, etc … Les projectiles comme les cibles sont de minuscules objets. Avec quelle unité mesurer la probabilité qu’ils interagissent ? Les physiciens rapportent cette probabilité à la taille apparente de la cible appellée section efficace.

Section efficace d’un noyau cible
Les forces nucléaires ressenties par un neutron s’approchant d’un noyau sont à à courte portée. La taiile apparente vue par le neutron qui s’approche est généralement voisine de la section du noyau, c’est à dire très petite. Cependant quand le neutron est lent ou à certaines énergies particulières, cette taille apparente – la section efficace – peut devenir beaucoup plus grande que la section géométrique du noyau.
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Comme son nom l’indique, une section efficace représente une surface. L’unité utilisée est le barn, une unité à l’échelle de la surface extrêmement petite attribuée aux noyaux pris comme cibles : 1 barn égale 0,000 000 000 000 000 000 000 001 cm2 (10 à la puissance -24). Un barn correspond à la section d’un noyau moyen. La section d’un proton ou d’un neutron assimilé à une minuscule boule compacte est de 0,07 barns.

La section efficace est une des données centrales de la physique des particules élémentaires. Ainsi, les sections efficaces des neutrinos venant du soleil sont si faibles (de l’ordre du millionième de milliardième de barn) que sur 10 milliards de neutrinos traversant la Terre un seul va interagir avec les atomes de celle-ci.

Dans les domaines de la radioprotection et du fonctionnement des réacteurs, on s’intéresse aux sections efficaces des neutrons et gamma. Les particules porteuses d’une charge électrique (rayons alpha et beta) interagissent en continu du fait de leur charge, avec des milliers d’électrons lors de leur parcours dans la matière. Au contraire, les particules neutres, neutrons et rayons gamma, interagissent une unique fois avec une cible : un noyau pour un neutron ; pour un gamma, généralement un électron du cortège électronique d’un atome.

Sections efficaces totales et partielles
La taille apparente (section efficace) vue par des neutrons de trois noyaux lourds, l’uranium-235, l’uranium-238 et le plutonium, est représentée ici sous forme d’une cible. La surface de la cible représente la section efficace totale, la partie centrale les simples captures, la partie rouge les captures suivies d’une fission. On voit que pour les neutrons dits thermiques et intermédiaires les sections efficaces totales et partielles, varient beaucoup d’une cible à l’autre : celles de l’uranium-238 sont très petites par rapport à celles de l’uranium-235 et du plutonium-239.
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Parler ” d’interaction ” ne suffit pas. Il faut préciser ” pour quel résultat ” ! A chaque résultat de l’interaction correspond une section efficace partielle, portion de la section efficace totale qui englobe le tout.

Ainsi un neutron peut simplement rebondir sur un noyau ou être capturé par lui. La capture peut être suivie par l’émission d’un gamma, provoquer une réaction nucléaire comme une fission. On parlera alors de sections efficaces de collision élastique, de capture radiative, de fission , etc…

Un gamma pourra être absorbé par un électron qu’il éjecte de l’atome (effet photoélectrique), entrer en collision avec un électron (effet Compton) ou si son énergie dépasse 1,020 MeV interagir avec le noyau pour créer un électron et un positron (production de paires).

Dans le cas des neutrons les sections efficaces varient beaucoup avec le noyau. Un exemple est le phénomène de capture. Selon que la communauté des neutrons et protons du noyau cible refuse l’intrus ou l’accueille à bras ouverts, la capture sera difficile ou facilitée. C’est ainsi que la section efficace de capture des neutrons lents est minimale pour l’uranium-238 mais importante pour l’uranium-235.

Les sections efficaces varient également beaucoup avec l’énergie de la particule incidente. L’interaction entre particules résulte pour une grande part d’échanges entre projectile et cible. C’est le cas pour l’effet photoélectrique avec les gammas. Pour les neutrons, un échange pourra se produire à distance, malgré la courte portée des forces nucléaires, si le neutron est lent et passe un temps suffisant a proximité du noyau. Un neutron “rapide” passera trop vite pour interagir à distance. La section efficace décroit généralement avec la vitesse.

La section efficace des neutrons peut devenir très grande si le neutron entre en résonance avec le noyau : c’est à dire s’il apporte exactement l’énergie nécessaire à la formation d’un état excité du noyau composé. Un métal rare, le cadmium possède un isotope – le cadmium-113 – dont la section efficace de capture atteint 20 600 barns pour des neutrons d’énergie très faible (0,2 électronvolt). Le record est détenu par deux isotopes du gadolinium, un élément classé parmi les terres rares, présent seulement à l’état de traces dans la nature : le gadolinium 155 (61 000 barns) et le gadolinium 157 (254 000 barns).

CAS DU : Rayonnement Neutronique