Diffusion (physique)

En physique, on entend généralement par diffusion la déviation d'un objet par interaction avec un autre objet local ( centre de diffusion ), plus précisément la déviation d'un rayonnement de particules ou d'ondes . Des exemples sont la diffusion de la lumière sur des atomes ou des poussières fines , des électrons sur d'autres électrons ou des neutrons sur des noyaux atomiques .

L'intensité d'une diffusion est indiquée par la section efficace de diffusion . Le nom vient du fait que la section efficace de diffusion dans la diffusion classique des points de masse sur une sphère dure est exactement la même que la section transversale de la sphère.

Une distinction est faite entre la diffusion élastique et inélastique (ou inélastique):

• avec diffusion élastique (voir aussi collision élastique ) la somme des énergies cinétiques après la collision est la même qu'avant
• à En revanche, il change avec la diffusion inélastique, par exemple une partie de l'énergie cinétique existante est convertie en énergie d'excitation d' un atome ou est utilisée, par exemple dans des processus d'ionisation , pour rompre une liaison.

Une diffusion inélastique au sens plus étroit signifie que la particule incidente est toujours présente après la collision, bien qu'avec une énergie réduite; Dans un sens plus large, les processus d'absorption (processus dans lesquels la particule incidente «disparaît») sont parfois comptés parmi les processus de diffusion inélastique.

En ce qui concerne la diffusion des ondes, une distinction est également faite entre diffusion cohérente et incohérente. Dans le cas d'une diffusion cohérente, il existe une relation de phase fixe entre l'onde entrante et l'onde diffusée (voir réflexion ), dans le cas d'une diffusion incohérente, il n'y en a pas. Si des rayons cohérents sont diffusés de manière cohérente, les rayons diffusés peuvent interférer les uns avec les autres. Ceci est particulièrement utile pour la diffraction des rayons X .

La description théorique de la diffusion est la tâche de la théorie de la diffusion . Les expériences de physique des hautes énergies sont généralement appelées expériences de diffusion, même lorsque z. B. de nouvelles particules apparaissent ( diffusion inélastique profonde ). Ils fournissent des informations sur la forme du potentiel d'interaction . Ernest Rutherford a montré au moyen de relations cinématiques dans la diffusion des particules alpha sur les atomes que ceux-ci doivent contenir un noyau lourd .

Contrairement à la diffusion, la diffraction dévie le rayonnement en raison de la propriété d'un front d'onde de se propager dans toutes les directions au bord d'un obstacle. Dans le cas de la réfraction , la déviation du rayonnement est basée sur le changement de la vitesse de propagation avec un changement de la densité ou de la composition du milieu de propagation , le plus clairement aux frontières de phase .

Angle de diffusion, diffusion avant et arrière

L' angle de diffusion  est l'angle selon lequel la particule diffusée est déviée. En tant que diffusion vers l'avant, les processus de diffusion sont mentionnés, dans lesquels il n'y a qu'une petite déviation (moins d'angle de diffusion). La rétrodiffusion ou la rétrodiffusion se réfère à des processus de diffusion avec un angle de diffusion entre et (voir aussi cinématique (impact des particules) ). ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle 90 ^ {\ circ}}$${\ displaystyle 180 ^ {\ circ}}$

Si les deux partenaires de collision ont une masse autre que zéro, l'angle de diffusion au centre de gravité est souvent pris en compte dans les expériences de diffusion en physique nucléaire et des particules . D'un point de vue théorique, c'est plus important que l'angle de diffusion dans le système de laboratoire .

Dans de nombreux cas, la diffusion vers l'avant est beaucoup plus forte que la diffusion dans d'autres directions, de sorte qu'elle a une section efficace différentielle relativement grande . Un exemple bien connu de la vie quotidienne est la diffusion de la lumière par des particules de poussière dans l'air: si vous regardez presque dans la direction de la source de lumière (par exemple, lorsque la lumière du soleil tombe dans une pièce sombre), les particules de poussière peuvent être clairement vu comme des points lumineux. Quelque chose de similaire se produit avec de fines gouttelettes d'eau.

La diffusion dans le sens inverse ( ) est généralement plus faible dans le contexte de la physique classique que dans toutes les autres directions, mais peut être plus forte que la diffusion dans les directions voisines en raison d' effets de mécanique quantique ou d'effets d' interférence . La rétrodiffusion cohérente est également responsable de la luminosité élevée de la pleine lune. ${\ displaystyle \ theta = 180 ^ {\ circ}}$

Pâte à tartiner classique

La mécanique classique diffère les collisions entre corps rigides de la diffusion à un potentiel. Pour le mouvement orbital d'une masse ponctuelle dans un potentiel qui décroît linéairement avec la distance, il existe toujours des équations qui décrivent une section conique : hyperbole, parabole ou ellipse. Un potentiel positif, c'est-à-dire répulsif, conduit toujours à des hyperboles. Des potentiels attractifs conduisent à des ellipses si l'énergie du partenaire de collision n'est pas assez grande. En ce sens, le mouvement d'une comète est aussi la diffusion au potentiel gravitationnel du soleil.

Diffusion du rayonnement électromagnétique

Aux particules élémentaires

• Diffusion de Thomson : diffusion élastique sur des électrons quasi libres (cas limite de la diffusion Compton pour les petites énergies photoniques).
• Diffusion Compton : diffusion élastique sur des électrons quasi libres.
• Diffusion lumière-lumière : effet qui ne peut être expliqué que dans le cadre de l'électrodynamique quantique .

Dans la matière

• Diffusion Rayleigh : diffusion électromagnétique élastique (sans transfert d'énergie) sur des objets plus petits que leur longueur d'onde, également diffusion dipolaire
• Diffusion Raman : diffusion inélastique sur des atomes, des molécules ou des solides
• Diffusion Mie : diffusion électromagnétique sur des objets de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde, ainsi que diffusion Lorenz-Mie, du nom du physicien allemand Gustav Mie (1868–1957) et du physicien danois Ludvig Lorenz (1829–1891), conduit au Tyndall effet
• Diffusion Phonon Raman : diffusion inélastique sur les phonons optiques (vibrations du réseau dans la gamme de fréquences de la lumière visible)
• Diffusion de Brillouin : diffusion inélastique sur les phonons acoustiques (vibrations du réseau dans la gamme de fréquences du son).

Dispersion des particules

• Diffusion de Rutherford : particule chargée sur noyau atomique, élastique
• Diffusion de Mott : comme la diffusion de Rutherford, mais en tenant compte du spin
• Diffusion neutronique : neutron thermique sur cristal, élastique ou inélastique; neutron rapide sur noyau atomique, élastique (voir aussi modérateur ) ou inélastique
• Diffraction électronique: électron sur corps solide (réseau cristallin)
• Diffusion de Møller : électron à électron, c'est-à-dire particules indiscernables
• Diffusion Bhabha : électron sur positron, son antiparticule
• Une diffusion inélastique profonde , par exemple des électrons sur des hadrons avec des transferts d'énergie et d'impulsion élevés, a fourni des informations sur la structure interne des hadrons.

La diffusion des particules élémentaires est clairement décrite par les diagrammes de Feynman . Dans le cas des processus de diffusion ou de désintégration en physique des particules élémentaires, une distinction est faite entre les processus exclusifs et inclusifs. Dans le cas des processus exclusifs, l'énergie et l'impulsion de tous les produits de litière sont mesurées; dans le cas de processus inclusifs, cela est omis pour certains produits de litière, de sorte qu'au lieu d'un processus de diffusion spécifique, un ensemble de processus est mesuré. Ce dernier est le cas, entre autres, lorsque certains produits de litière sont difficiles à mesurer, que l'on ne s'intéresse qu'à certains produits de litière ou qu'il y a trop de produits de litière dont la mesure précise n'est pas possible ou trop complexe.

Interaction entre le rayonnement électromagnétique et la matière

Ce qui suit est une représentation schématique de l'interaction d'un photon avec un atome. Les lignes horizontales représentent les états d'excitation discrets de l'atome que l'électron représenté comme un point peut occuper. La ligne du bas correspond à l'état de base énergétique.

Diffusion Thomson

La diffusion de Thomson est l'interaction cohérente avec un électron (quasi) libre. Cependant, l'énergie du photon diffusé ne change pas au cours du processus.

Diffusion Compton

Comme la diffusion Compton est appelée le processus incohérent, dans lequel un photon est diffusé sur un électron libre ou faiblement lié . Lorsque l'électron d'un atome est diffusé, il est ionisé par ce processus et un photoélectron et un photon avec une énergie réduite dépendant de l'angle sont émis. Cette diffusion est dite élastique car l'influence de l'énergie de liaison peut être négligée et donc la somme des énergies cinétiques avant et après la collision est identique. Pour un processus inélastique vis-à-vis de l'électron, il faudrait également convertir l'énergie cinétique en énergie interne, les degrés de liberté internes étant excités, ce qu'un électron ne possède pas. ${\ displaystyle E_ {Reliure} << E_ {h \ nu}}$

Diffusion de Rayleigh

Le processus de diffusion est cohérent, c'est-à - dire qu'il maintient la cohérence . L'énergie ( h  est le quantum d' action de Planck ,  la fréquence) du photon incident est trop petite pour exciter l'atome. La diffusion a lieu sur des électrons liés, de sorte que l'énergie du photon diffusé ne change pas. Dans le cas limite classique, c'est-à-dire une grande longueur d'onde du photon par rapport au rayon de Bohr de l'atome, on parle de diffusion de Rayleigh. Une particularité est que la section efficace de diffusion  σ dépend très fortement de la fréquence et augmente proportionnellement à . Une fréquence deux fois plus élevée est diffusée par 2 ⁴ fois (= 16 fois) de plus, c'est la cause du bleu du ciel et du coucher du soleil. ${\ displaystyle E = h \ nu}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ nu ^ {4}}$

Diffusion Raman

Dans le cas de la diffusion Raman, qui est inélastique en soi, on observe un décalage entre l'énergie du quantum de lumière diffusée et l'énergie du quantum de lumière incidente. La différence d'énergie est exactement l'énergie d'excitation d' une rotation ou d'une oscillation de la molécule (effet Raman de premier ordre). Cette différence d'énergie est donnée à l'atome ou est absorbée par le photon. L'énergie du photon diffusé est alors (transfert d'énergie vers la molécule) ou (absorption d'énergie du quantum lumineux). ${\ displaystyle E = h \ nu}$${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle h \ nu - \ Delta E}$${\ displaystyle h \ nu + \ Delta E}$

Absorption de résonance, émission spontanée, fluorescence et phosphorescence

Si l'énergie d'un photon entrant correspond exactement à la différence entre deux niveaux d'énergie discrets , le photon est absorbé par l'atome (on parle aussi d' absorption de résonance ). L'atome est alors dans un état excité qui peut se désintégrer à travers différents canaux. Suivi en peu de temps, l' émission d'un photon de fréquence similaire, on parle de fluorescence . L'énergie du photon de fluorescence peut être inférieure à l'énergie rayonnée en raison de processus de relaxation non rayonnants dans l'atome. La durée de vie du ou des états excités est généralement de quelques nanosecondes (voir durée de vie de fluorescence ). Si le temps de séjour est significativement plus long que quelques nanosecondes, on parle de phosphorescence (les transitions de phosphorescence sont souvent des transitions à spin interdit). Notez que dans les deux cas, les photons émis et absorbés n'ont pas de relation de phase fixe, il s'agit donc d'un processus de diffusion incohérent . ${\ displaystyle \ Delta E}$

Émission stimulée

Dans le cas d' une émission stimulée , un atome excité existant est excité pour émettre un second photon cohérent par un photon irradié avec l'énergie appropriée.

Effet photo

Un processus d'absorption dans lequel un électron prend toute l'énergie du photon est connu sous le nom d' effet photoélectrique . Pour cela, une certaine force de liaison de l'électron est nécessaire pour des raisons de cinématique ; par conséquent, la section efficace pour l'effet photoélectrique est la plus grande dans la coquille la plus interne (coquille K) des atomes lourds.

Ce n'est en fait pas un processus de diffusion, mais plutôt un processus d'absorption, car il n'y a plus de photon diffusé par la suite. En spectroscopie photoélectronique , on regarde les photoélectrons déclenchés, en distinguant entre autres l'excitation par rayonnement UV ou X ( UPS ou XPS ).

Diffusion multiple

Une diffusion multiple en plusieurs centres de diffusion se produit, par exemple, dans la diffraction des rayons X dans les cristaux, avec des ondes acoustiques dans des milieux poreux, une diffusion de la lumière sur des gouttelettes d'eau dans des nuages ​​ou la diffusion de rayons de particules chargées plus rapidement dans la matière ( théorie de Molière , par exemple Molière rayon ).

Diffusion de résonance

Pour les puits à faible potentiel de la taille de la longueur d'onde Compton , une diffusion résonnante se produit, qui est cohérente mais déphasée. La différence de phase fournit des informations sur la profondeur potentielle.

Littérature

• Jörn Bleck-Neuhaus: Particules élémentaires: physique moderne des atomes au modèle standard (=  manuel Springer ). Springer, Berlin / Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-85299-5 , chapitre 5. 
• Bogdan Povh, Mitja Rosina: Diffusion et structures: une incursion à travers les phénomènes quantiques (=  bibliothèque en ligne de physique et d'astronomie ). Springer, Berlin Heidelberg New York Hong Kong Londres Milan Paris Tokyo 2002, ISBN 3-540-42887-9 .