Na física, seção de choque é uma medida da probabilidade de que um processo específico ocorra quando uma radiação (feixe de partículas, ondas sonoras, luz ou raios X, por exemplo) intersecta um fenômeno localizado (um partícula, por exemplo). Por exemplo, a seção de choque de Rutherford é uma medida da probabilidade de que uma partícula alfa seja defletida por um ângulo durante uma colisão com um núcleo atômico. A notação usual para seção de choque é (sigma) e é expressa em unidades de área, mais especificamente, barns. De certo modo, pode ser pensado como o tamanho do objeto deve ter para que um processo ocorra após a interação com a radiação. Em outras palavras, é um parâmetro de um processo estocástico.

Na física clássica, esta probabilidade frequentemente converge a uma proporção determinística da energia de excitação envolvida no processo, por exemplo, com o espalhamento da luz de uma partícula, a seção de choque especifica a quantidade de potência ótica espalhada da luz de uma dada irradiação (potência por área). É importante notar que embora a seção de choque tenha as mesmas unidades de área, a seção de choque não necessariamente corresponde ao tamanho físico atual do alvo dado por outras formas de medidas. Não é incomum que a área de seção de choque de um objeto espalhado seja muito maior ou menor que a seção de choque relativa a algum processo físico. Por exemplo, nanopartículas plasmônicas podem ter seções de choque do espalhamento da luz para frequências particulares que são muito maiores do que sua atual seção de choque de área.

Quando duas partículas discretas interagem na mecânica clássica, sua seção de choque mútua é a área transversal à seu movimento relativo dentro do qual elas devem se encontrar para haver o espalhamento. Se as partículas são duras esferas inelásticas que interagem apenas ao contato, sua seção de choque é relativa a seu tamanho geométrico. Se as partículas interagem através de alguma ação a distância, como eletromagnetismo ou gravidade, sua seção de choque de espalhamento é muito maior que seu tamanho geométrico.

Quando uma seção de choque é especificada como o limite diferencial de uma função de algumas variáveis de estado final, como ângulo e energia, é chamada de seção de choque diferencial. Quando a seção de choque é integrada sobre todo os ângulos de espalhamento (e possivelmente outras variáveis), é chamada de seção de choque total ou seção de choque integrada. Por exemplo, no espalhamento de Rayleigh, a intensidade espalhada nos ângulos frontais e traseiros é maior que a intensidade espalhada lateralmente, então a seção de choque frontal é maior que a  seção de choque diferencial perpendicular, e adicionando todas as seções de choque infinitesimais por todos ângulos com cálculo integral, podemos achar a seção de choque total.

Seções de choque podem ser definidas na física nuclear, atômica e de partículas para colisões de feixes acelerados de um tipo de partícula com alvos (fixos ou em movimento) de um segundo tipo de partícula. A probabilidade de alguma reação ocorrer é proporcional à sua seção de choque. Portanto, a especificação da seção de choque para dada reação é um indicativo da probabilidade de um dado espalhamento ocorrer.

A medida da taxa de reação de um dado processo depende fortemente de variáveis experimentais como a densidade do material do alvo, a intensidade do feixe, a eficiência de detecção do aparato, ou o ângulo de detecção.  Contudo, essa quantidades podem ser fatoradas, permitindo medidas da seção de choque de duas partículas adjacentes.

Seções de choque de espalhamento diferencial e total estão entre as quantidades mensuráveis mais importantes em física nuclear, atômica e de partículas.

Colisão entre partículas de gás

miniaturadaimagem|Figura 1. Em um gás de partículas de diâmetro individual , a seção de choque , para colisões, está relacionada à densidade do número de partículas , e o caminho livre médio entre colisões as . Em um gás de partículas de tamanho finito, há colisões entre as partículas que dependem de seu tamanho de seção de choque. A distância média que uma partícula percorre entre as colisões depende da densidade das partículas do gás. Essas quantidades estão relacionadas por

onde

é a seção de choque de uma colisão entre duas partículas (unidades do SI: m2), é o livre caminho médio entre colisões (unidade do SI: m), é a densidade do número de partículas alvo (unidade do SI: m−3).

Se as partículas no gás podem ser tratadas como esferas duras de raio que interagem por contato direto, como ilustrado na Figura 1, então a seção transversal efetiva para a colisão de um par é

Se as partículas no gás interagiremem por uma força com um alcance maior do que seu tamanho físico, então a seção de choque é uma área efetiva maior que pode depender de uma variedade de variáveis, como a energia das partículas.

As seções de choque podem ser calculadas para colisões atômicas, mas também são usadas no domínio subatômico. Por exemplo, em física nuclear, um "gás" de nêutrons de baixa energia colide com núcleos em um reator ou outro dispositivo nuclear, com uma seção de choque que depende da energia e, portanto, também com um caminho livre médio bem definido entre colisões.

Atenuação de um feixe de partículas

Se um feixe de partículas entrar em uma camada fina de material de espessura , o fluxo do feixe diminuirá em de acordo com

onde σ é a seção de choque total de todos os eventos, incluindo espalhamento, absorção ou transformação em outra espécie. A densidade numérica dos centros de espalhamento é designada por n. Resolver esta equação exibe a atenuação exponencial da intensidade do feixe:

onde é o fluxo inicial e é a espessura total do material. Para a luz, isso é chamado de lei Beer-Lambert.

Seção de choque diferencial

Considere uma medida clássica onde uma única partícula é espalhada em uma outra única partícula alvo estacionária. Por convenção, um sistema esférico de coordenadas é utilizado, com a partícula alvo colocada na origem e o eixo do sistema alinhado com o feixe incidente. O ângulo é o ângulo de espalhamento, medido entre o feixe incidente e o feixe espalhado, e é o ângulo azimutal.

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O parâmetro de impacto é o deslocamento perpendicular a trajetória da partícula incidente e a partícula espalhada sai em um ângulo . Para uma dada interação (Coulombiana, magnética, gravitacional, etc. ), o parâmetro de impacto e o ângulo de espalhamento são proporcionais um ao outro. Geralmente o parâmetro de impacto não pode ser controlado nem medido evento a evento e é assumido que leva em conta todos os valores possíveis quando é tomada a média sobre muitos eventos espalhados. O tamanho diferencial da seção de choque é o elemento de área no plano do parâmetro de impacto, isto é, . O alcance do ângulo diferencial da partícula espalhada num ângulo é o ângulo sólido . A seção de choque diferencial é o quociente dessas quantidades, .

É uma função do ângulo de espalhamento (ou do parâmetro de impacto) e de outros observáveis, como o momento da partícula incidente. A seção de choque diferencial é sempre tomada como positiva, muito embora maiores parâmetros de impacto produzam menos deflexão. Em situações de simetria cilíndricas (sobre o eixo do feixe), o ângulo azimutal não é mudado por processos de espalhamento, e a seção de choque diferencial pode ser escrita como

.

Em situações onde o processo de espalhamento não é azimutalmente simétrico, como quando o feixe ou a partícula alvo possuem momento magnético orientado perpendicularmente ao eixo do feixe, a seção de choque diferencial deve ser escrita como uma função do ângulo azimutal.

Para o espalhamentos de partículas com fluxo incidente sobre um alvo estacionário consistindo de muitas partículas, a seção de choque diferencial num ângulo está relacionada ao fluxo da detecção das partículas espalhadas em partículas por unidade de tempo por

Aqui é o tamanho angular finito do detector (em unidades do SI: sr), é a densidade numérica das partículas alvo (em unidades do SI: m−3) e é a espessura do alvo estacionário (em unidades do SI: m). Essa fórmula assume que o alvo é fino o suficiente para que cada feixe de partículas interaja com no máximo uma partícula alvo.

A seção de choque total pode ser recuperada integrando a seção de choque diferencial por todo o ângulo sólido ( esterradianos):

É comum omitir o termo “diferencial” quando o tipo de seção de choque pode ser inferida pelo contexto. Neste caso, pode se referir a como a seção de choque integral ou seção de choque total. O último termo pode ser confuso em contextos, nos quais múltiplos eventos estão envolvidos, já que “total” também pode significar a soma das seções de choque de todos os eventos.

A seção de choque diferencial é uma quantidade extremamente útil em muitos campos da física pois sua medida pode revelar uma grande quantidade de informação sobre a estrutura interna das partículas alvo. Por exemplo, a seção de choque diferencial do espalhamento de Rutherford proveu forte evidência para a existência do núcleo atômico.

Em vez dos ângulos sólidos, o momento transferido pode ser usado como uma variável independente da seção de choque diferencial.

A seção de choque diferencial em espalhamentos inelásticos contém picos de ressonância que indicam a criação de estados metaestáveis e contém informação sobre sua energia e tempo de vida.

Espalhamento quântico

No formalismo independente do tempo do espalhamento quântico, a função de onda inicial (antes do espalhamento) é tida como uma onda plana com momento linear definido :

onde e são as coordenadas relativas entre o projétil e o alvo. A seta indica que isso apenas descreve o comportamento assintótico da função de onda quando o projétil e o alvo estão muito distantes para que a interação produza algum efeito.

Depois que o espalhamento ocorre, é esperado que a função de onda tenha a seguinte forma assintótica:

onde é alguma função das coordenadas angulares conhecida como amplitude de espalhamento. Essa forma geral é válida para qualquer interação de curto alcance e que conserve energia. Ela não é válida para interações de longo alcance, logo existem complicações adicionais no tratamento de interações eletromagnéticas.

A função de onda completa do sistema se comporta assintoticamente como a soma

A seção de choque diferencial é relacionada à amplitude de espalhamento:

Isso pode ser facilmente interpretado como a densidade de probabilidade de encontrar o projétil espalhado em um dado ângulo.

Uma seção de choque é portanto uma medida da área de superfície efetiva vista pelas partículas incidentes, e assim é expressa em unidades de área. A seção de choque de duas partículas (isto é, aquela observada quando duas partículas estão colidindo entre si) é uma medida do evento de interação entre as duas partículas. A seção de choque é proporcional à probabilidade de que uma interação ocorra; por exemplo, em um experimento de espalhamento básico o número de partículas espalhadas por unidade de tempo (corrente de partículas espalhadas ) depende somente do número de partículas incidentes por unidade de tempo (corrente de partículas espalhadas ), das características do alvo (por exemplo o número de partículas por unidade de superfície ), e do tipo de interação. Para teremos

Relação com a matriz S Se as massas reduzidas e o momento do sistema são , e , antes e depois da colisão, respectivamente, a seção de choque diferencial é dada por:

onde a matriz é definida por:

em termos da matriz S. Aqui é a função delta de Dirac. A computação da matriz S é o objetivo principal da teoria de espalhamento.

Unidades Embora a unidade SI da seção de choque total seja m2, unidades menores são usadas na prática.