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Libre parcours moyen

En physique, le libre parcours moyen est la distance moyenne parcourue par une particule se déplaçant (telle qu'un atome, une molécule, un photon) entre deux impacts successifs (collisions)[1] modifiant sa direction, son énergie ou d'autres propriétés.

Origine

Figure 1: Tranche de cible.

On considĂšre un faisceau de particules projetĂ©es vers une cible, ainsi qu'une tranche infinitĂ©simale de cette cible (Figure 1). Les atomes (ou autres particules) susceptibles d'arrĂȘter des particules du faisceau sont en rouge. La grandeur du libre parcours moyen dĂ©pend des caractĂ©ristiques du systĂšme auquel la particule appartient :

OĂč est le libre parcours moyen, la quantitĂ© de particules-cible par unitĂ© de volume, et la section efficace de collision.

L'aire d'une tranche est et son volume est .

La quantité de particules incidentes contenues dans cette tranche est le produit de la concentration par le volume, c'est-à-dire, .

La probabilitĂ© qu'une particule incidente soit arrĂȘtĂ©e par cette tranche est l'aire totale recouverte par les atomes cibles, divisĂ©e par l'aire totale de la tranche.

oĂč est l'aire, ou, plus formellement, la section efficace d'un atome.

La diminution d'intensité du faisceau passant à travers une tranche est égale à l'intensité du faisceau incident multipliée par la probabilité de collision.

C'est une équation différentielle linéaire :

dont la solution est connue sous le nom de Loi de Beer-Lambert et a pour forme , oĂč est la distance parcourue par le faisceau Ă  travers la cible et est l'intensitĂ© du faisceau avant d'avoir pĂ©nĂ©trĂ© la cible. est appelĂ© « libre parcours moyen » parce qu'il est Ă©gal Ă  la distance moyenne parcourue par une particule du faisceau avant d'ĂȘtre arrĂȘtĂ©e. On peut le comprendre en remarquant que la probabilitĂ© qu'une particule soit absorbĂ©e entre et est donnĂ©e par :

Ainsi la valeur moyenne attendue pour est :

La fraction des particules n'Ă©tant pas stoppĂ©es par la tranche est appelĂ©e la transmittance oĂč est l'Ă©paisseur traversĂ©e.

Théorie cinétique des gaz

Dans la théorie élémentaire de la cinétique des gaz le libre parcours moyen d'une particule, telle qu'une molécule, est la distance moyenne parcourue entre deux collisions successives avec d'autres particules en mouvement supposées assimilables à des sphÚres rigides parfaitement élastiques.

La formule est toujours valable pour une particule ayant une vitesse relative Ă©levĂ©e parmi un ensemble de particules identiques distribuĂ©es alĂ©atoirement dans l'espace. Dans le cas oĂč la distribution des vitesses est conforme Ă  la loi de distribution des vitesses de Maxwell, le rĂ©sultat suivant s'applique[2]

et on peut montrer que le libre parcours moyen est Ă©galement [3]

oĂč est la constante de Boltzmann en J/K, la tempĂ©rature en K, la pression en pascals, et le diamĂštre des particules constituant le gaz (en mĂštres).

Le tableau suivant donne quelques valeurs typiques pour l'air à différentes pressions et à température ambiante.

Degré de vide Pression en hPa Molécules / cm3 Libre parcours moyen
Pression ambiante1013 2,7 Ă— 1019 – 68 nm
Vide relatif300 – 1 1019 – 1016 0,32 – 95 ”m
Vide1 – 10−3 1016 – 1013 0,095 – 95 mm
Vide poussĂ© 10−3 – 10−7 1013 – 109 9,5 cm – 0,95 km
Vide trĂšs poussĂ© 10−7 – 10−12 109 – 104 0,95 km – 9,5 Ă— 104 km
Vide extrĂȘme < 10−12 < 104 > 9,5 Ă— 104 km

Radiographie

Libre parcours moyen pour des photons de 1 keV à 20 MeV et des éléments de numéro atomique Z = 1 à 100. Basé sur des données tirées de NIST[4]. Les discontinuités sont dues à la faible densité des éléments gazeux. Six bandes correspondent aux voisinages de 6 gaz nobles.

En radiographie par rayons gamma, le libre parcours moyen d'un faisceau de photons monochromatiques est la distance moyenne qu'un photon parcourt avant d'entrer en collision avec des atomes du matériau cible. Il dépend de la nature dudit matériau et de l'énergie des photons selon

oĂč est le coefficient d'absorption, est le coefficient d'absorption massique et la masse volumique du matĂ©riau. Le coefficient d'absorption massique peut ĂȘtre rĂ©cupĂ©rĂ© ou calculĂ© pour un certain matĂ©riau et une Ă©nergie donnĂ©e Ă  partir des bases de donnĂ©es du NIST [5] - [6]

En radiographie par rayons X le calcul du libre parcours moyen est plus complexe, car les photons n'ont pas une seule et mĂȘme Ă©nergie et forment en fait un spectre.

Alors que les photons se dĂ©placent Ă  travers le matĂ©riau cible, ils sont attĂ©nuĂ©s avec des probabilitĂ©s dĂ©pendant de leur Ă©nergie, modifiant ainsi leur spectre. À cause de cela, le libre parcours moyen d'un spectre X-ray dĂ©pend de la longueur de matĂ©riau traversĂ©e.

L'épaisseur d'un matériau est parfois mesurée en nombre de libre parcours moyen . Les matériaux avec une épaisseur d'un atténuent des photons. Ce concept est étroitement lié à la couche de demi-atténuation (CDA). Un matériau avec une CDA de 1 atténuera 50 % des photons.

Physique des particules

En physique des particules, le concept de libre parcours moyen n'est pas couramment utilisé. On privilégie le concept similaire de longueur d'atténuation, c'est-à-dire l'épaisseur d'un matériau pour laquelle 63 % du rayonnement incident est absorbé.

En particulier, pour des photons de haute Ă©nergie, qui interagissent principalement par production de paires Ă©lectron-positron, on parle plutĂŽt de Longueur de radiation, qui ressemble beaucoup au libre parcours moyen en radiographie.

Optique

Si l'on considÚre un gaz de particules n'absorbant pas la lumiÚre de diamÚtre d et de fraction volumique , le libre parcours moyen[7] des photons est donné par :

,

oĂč , le coefficient d'efficacitĂ© de diffusion, peut ĂȘtre Ă©valuĂ© numĂ©riquement pour des particules sphĂ©riques Ă  l'aide de la thĂ©orie de Mie.

Acoustique

Dans une cavité vide de volume et de surface intérieure , le libre parcours moyen d'une particule rebondissant sur ses parois est :

Exemples

Une application classique du libre parcours moyen est l'estimation de la taille des atomes ou des molécules.

Une autre application importante est une estimation de la résistivité d'un matériau à partir du libre parcours moyen de ses électrons.

Par exemple, pour des ondes sonores confinées, le libre parcours moyen est la distance moyenne parcourue par une onde avant réflexion.

En aĂ©rodynamique, le libre parcours moyen est du mĂȘme ordre de grandeur que l'Ă©paisseur d'une onde de choc Ă  des nombres de mach supĂ©rieurs Ă  1.

Références

  1. Author: Marion BrĂŒnglinghaus, ENS, European Nuclear Society, « Mean free path », Euronuclear.org (consultĂ© le ).
  2. S. Chapman and T.G. Cowling, The mathematical theory of non-uniform gases, 3rd. edition, Cambridge University Press, 1990, (ISBN 0-521-40844-X), p. 88.
  3. « Mean Free Path, Molecular Collisions », Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu (consulté le ).
  4. « NIST: Note - X-Ray Form Factor and Attenuation Databases », Physics.nist.gov, (consulté le ).
  5. J. H. Hubbell et S. M Seltzer, « Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients », National Institute of Standards and Technology (consulté en ).
  6. M. J. Berger, J. H. Hubbell, S. M. Seltzer, J. Chang, J. S. Coursey, R. Sukumar et D. S. Zucker, « XCOM: Photon Cross Sections Database », National Institute of Standards and Technology (NIST) (consulté en ).
  7. O Mengual, G Meunier, I CayrĂ©, K Puech et P Snabre, « TURBISCAN MA 2000: multiple light scattering measurement for concentrated emulsion and suspension instability analysis », Talanta, vol. 50, no 2,‎ , p. 445–56 (PMID 18967735, DOI 10.1016/S0039-9140(99)00129-0).
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