Vaikutusala

Vaikutusala (σ) ilmaisee ydin- ja hiukkasfysiikassa hiukkasten välisen vuorovaikutuksen todennäköisyyden. Tavallisesti viitataan kuitenkin nuklidin suuruusluokan vuorovaikutuksista, eikä niinkään esim. atomien tai fotonin ja atomin välisiin vuorovaikutuksiin (kemialliset vuorovaikutukset). Vuorovaikutuksen todennäköisyys riippuu hiukkasen/nuklidin tyypistä, koosta, hiukkasten välisestä etäisyydestä, kulkusuunnasta, liike-energiasta, varauksesta sekä hiukkasten määrästä per tilavuusyksikkö. Vaikutusala on tärkeä suure mm. ydinreaktoreissa ja hiukkaskiihdyttimissä.

Hiukkasen tai sähkömagneettisen säteilyn absorboituessa puhutaan absorptiovaikutusalasta ja vastaavasti sirotessa sirontavaikutusalasta. Ydinfysiikassa vaikutusalalla voidaan tarkoittaa myös ydinreaktion todennäköisyyttä. Kaikki vaikutusalat yhdessä muodostavat kokonaisvaikutusalan, joka kertoo vuorovaikutuksen todennäköisyyden ottaen huomioon kaikki mahdolliset vuorovaikutustavat.

Vuorovaikutustodennäköisyys määritellään klassisesti törmäävien kappaleiden poikkipinta-alojen suhteena. Vaikka vaikutusala kuvaa vuorovaikutuksen todennäköisyyttä, ilmaistaan se kuitenkin yleensä efektiivisenä pinta-alana. Ydinfysiikassa sirontavaikutusalan yksikkö on yleensä barni (10^-28 m²)^[1], joka on samaa suuruusluokkaa kuin ytimen pinta-ala.^[2] Sähkömagneettisen säteilyn ja neutronien sirontavaikutusala ilmaistaan yleensä yksiköissä cm².

Sirontavaikutusalan käsitettä voi tarkastella esimerkiksi Rutherfordin sirontakokeessa, jossa sironnan todennäköisyys eli sirontavaikutusala kertoo millä todennäköisyydellä alfahiukkanen siroaa tiettyyn sirontakulmaan kultakalvosta.^[3]

Differentiaalinen sirontavaikutusala ${\displaystyle {\frac {d\sigma }{d\Omega }}}$ kertoo millä todennäköisyydellä hiukkanen tai säteilykvantti siroaa johonkin tiettyyn avaruuskulmaan (Ω). Jos differentiaalinen vaikutusala jaetaan eli normalisoidaan sirottavan aineen tilavuudella, saadaan uusi differentiaalinen vaikutusala ${\displaystyle {\frac {d\Sigma }{d\Omega }}}$, jonka yksikkö on cm^-1. Se ei riipu sirottavan aineen määrästä, ja eri materiaalien differentiaalisia sirontavaikutusaloja voidaan suoraan verrata toisiinsa.

1. ↑ Valtioneuvoston asetus mittayksiköistä (1015/2014), 9 § Finlex. Arkistoitu 4.6.2015. Viitattu 4.6.2015.
2. ↑ Nuclear cross section Hyperphysics. (englanniksi)
3. ↑ Scattering cross section Hyperphysics. (englanniksi)