diffusion particulaire

La diffusion propre aux particules est un transfert d’énergie entre elles qui se fait de façon aléatoire, inorientée

Elle est la conséquence des interactions électromagnétiques (coulombiennes) ou chromodynamiques (interaction forte).

Dans la diffusion des particules liées, les ondes de diffusion sont fonction de la position de la particule par rapport au noyau et donc dépendent des divers nombres quantiques (dont L, celui de moment orbital) des particules constitutives.

Ces ondes portent l'énergie des particules et la transmettent aux voisines -dont les noyaux- 

D'où parfois une réaction nucléaire, qui est l'interaction (sur un noyau) d'un projectile particulaire x0 , celui-ci pouvant être: un photon (γ), un lepton chargé (électron, muon, tauon) ou un baryon (dont le nucléon)

 

Les types de réactions entre telles particules, sont -sans parler du bilan énergétique- (et en désignant par x0 le projectile et x1,2,3...les particules produites en sortie)

-réaction de fission : x0 projeté sur 1 corps >>> 2 corps nouveaux + x1,2,3...

-réaction de fusion : x0 projeté sur 1 corps >>> 1 autre corps

-réaction de diffusion : x0 projeté sur 1 corps >>> le même corps + x0 (si élastique) ou bien 1 autre corps + x1 (si inélastique)

En fonction des types de particules, on distingue >>

 

DIFFUSION PHOTONIQUE

Elle est dite élastique si les particules heurtées par les photons restent identiques après la diffusion

Elle est dite inélastique s’il y a transformation des particules heurtées

-diffusion de Rayleigh (ou quasi-élastique)

Quand il n’y a pas de changement de fréquence des photons dans la diffusion -ils conservent donc la même énergie- :

νd =  ν0

νd(Hz)= fréquence diffusée et  ν0 (Hz)= fréquence originelle

On définit le rapport de Rayleigh  R qui vaut P’p / P’0

où P’0(cd)= intensité lumineuse (photonique) incidente

et P’p(cd)= intensité lumineuse diffusée, perpendiculaire à P0 

On a R = χ / h*.Jn.λ4.Ω

où Jn(m-1)= nombre d’onde

χ(sr)= susceptibiilité

h*(l-3)= nombre d’oscillations par unité de volume

λ(m)= longueur d’onde

Ω(sr)= angle solide dans lequel s’effectue la diffusion

-diffusion de Raman (ou inélastique)

La diffusion existe de part et d’autre de la diffusion de Rayleigh (ce sont les vibrations des molécules qui changent alors la fréquence des photons et donc leur énergie)

νd =  ν0(+/-) νi

νd,o,i (Hz)= fréquences respectivement : diffusée, originelle, inélastique

νi précédé du signe + correspond aux basses fréquences (dites fréquences de Stokes) et l’énergie est fournie aux molécules

νi précédé du signe - correspond aux hautes fréquences (dites fréquences anti-Stokes) et l’énergie est prélevée aux molécules

Exemple : si la radiation excitatrice est de 1015 Hertz, les

vibrations anti-Stokes sont # 1012 Hz

-effet Compton et longueur d’onde de Compton (lC) :

Si un photon primaire heurte (par diffusion) une particule +/- libre, un photon secondaire est émis, dont la longueur d’onde est plus élevée

La différence de longueur d’onde entre ces 2 photons est proportionnelle à une valeur constante lC dite longueur d’onde de Compton

Δλ = lC.(1-cosθ)

où Δλ(m)= différence de longueur d’onde entre les photons primaire et secondaire

lC(m)= longueur d'onde de Compton

θ(rad)= angle (de diffusion) entre les trajectoires des 2 photons

avec lC= h / m.c      et   lC= 1 / n'.θ

où h(J-s)= action (h :constante de Planck = 6,626.10-34 J-s)

c(m/s)= constante d'Einstein(2,99792458 .108 m/s)

m(kg)= masse (au repos) de la particule heurtée

n'(m-1-rad-1)= NOMBRE d’onde angulaire de Compton

Nota : pour un électron : lC = 2,4263.10-12 mètre 

pour un proton : lC = 1,32141.10-15 mètre

pour un neutron : lC= 1,31959.10-15 mètre

 

DIFFUSION DE FERMIONS

Elle est causée par les chocs des particules voyageuses avec d’autres, d’où incertitude sur la quantité de mouvement, toujours perturbée

 

DIFFUSION NUCLÉAIRE(elle concerne les noyaux)

Elle est dite élastique si l’énergie cinétique totale des noyaux reste identique

Elle est dite inélastique si une partie de l’énergie cinétique des noyaux est transformée en énergie d’excitation interne dans au moins l’un des noyaux

 

DIFFUSION DE MOLÉCULES

Une molécule de masse m(kg) en équilibre thermique dans un groupe de molécules similaires, a un coefficient de self-diffusion νs tel que :

νs= Δl² / 2t       où   Δl(m)= déplacement moyen et t(s)= temps

La diffusion moléculaire apporte l'équilibre des concentrations dans un mélange (ou dans une solution)

La loi de Ficks’applique : s* = νt.grad.B’

avec s*(mol/m²-s)= densité superficielle de quantité de matière

νt(m²/s)= coefficient de diffusivité (de transport) manifestant la variation de concentration de particules

B’(mol/m3)= densité volumique de quantité de matière

Mais  νt = (h*v.m.l.vq) / 3

où h*v(part/m3)= densité volumique de particules

m(kg)= masse des particules constitutives

l(m)= libre parcours moyen

vq(m/s)= vitesse quadratique

Auto-diffusion (ou self-diffusion)

Un fluide (même apparemment exempt de poussières), éclairé par une lumière monochromatique de fréquence ν présente toujours une légère diffusion due à ses propres molécules.

 

DIFFUSION ATOMIQUE

La diffusion pour un atome est donnée par la formule

νt = l.ρ'.f².e-jqr.δl3 / δj'   avec    qr = fonction de 1 / λ    et  j'(m-s/kg) la fluidité