Радиус заряда

Среднеквадратичный радиус заряда является мерой размера с атомным ядром , в частности протонного распределения. Его можно измерить по рассеянию электронов на ядре. Относительные изменения в среднеквадратическом распределении заряда ядра можно точно измерить с помощью атомной спектроскопии .

Определение [ править ]

Задача определения радиуса атомного ядра аналогична задаче определения радиуса всего атома ; ни атомы, ни их ядра не имеют определенных границ. Однако ядро ​​можно смоделировать как сферу положительного заряда для интерпретации экспериментов по рассеянию электронов : поскольку нет определенной границы с ядром, электроны «видят» диапазон поперечных сечений, для которых можно принять среднее значение. . Определение «среднеквадратичное значение» (от « среднеквадратичного ») возникает потому, что это ядерное поперечное сечение , пропорциональное квадрату радиуса, которое является определяющим для рассеяния электронов.

Это определение зарядового радиуса также может применяться к составным адронам, таким как протон , нейтрон , пион или каон , которые состоят из более чем одного кварка . В случае бариона антиматерии (например, антипротона) и некоторых частиц с чистым нулевым электрическим зарядом, составная частица должна быть смоделирована как сфера отрицательного, а не положительного электрического заряда для интерпретации экспериментов по рассеянию электронов. В этих случаях квадрат зарядового радиуса частицы определяется как отрицательный, с тем же абсолютным значением с единицами измерения длины, равными квадрату положительного радиуса заряда, который она имела бы, если бы была идентична во всех других отношениях, но каждый кварк в частице имел противоположный электрический заряд (при этом радиус самого заряда имел значение, которое является мнимым числом с единицами длины). ^[1] Обычно, когда радиус заряда принимает воображаемое числовое значение, чтобы сообщить отрицательный квадрат радиуса заряда, а не сам радиус заряда, для частицы.

Самая известная частица с отрицательным квадратом зарядового радиуса - нейтрон . Эвристическое объяснение того, почему квадрат зарядового радиуса нейтрона отрицательный, несмотря на его общий нейтральный электрический заряд, заключается в том, что это так, потому что его отрицательно заряженные вниз кварки в среднем расположены во внешней части нейтрона, в то время как его положительно заряженный кварк в среднем расположен ближе к центру нейтрона. Это асимметричное распределение заряда внутри частицы приводит к небольшому квадрату отрицательного радиуса заряда для частицы в целом. Но это лишь простейшая из множества теоретических моделей, некоторые из которых более сложные, которые используются для объяснения этого свойства нейтрона. ^[2]

Для дейтронов и высших ядер принято различать радиус рассеивающего заряда r _d (полученный из данных рассеяния) и зарядовый радиус связанного состояния R _d , который включает член Дарвина – Фолди для объяснения поведения аномальный магнитный момент в электромагнитном поле ^{[3] [4]} и которая подходит для лечения спектроскопические данные. ^[5] Два радиуса связаны соотношением

${\ displaystyle R _ {\ rm {d}} = {\ sqrt {r _ {\ rm {d}} ^ {2} + {\ frac {3} {4}} \ left ({\ frac {m _ {\ rm {e}}} {m _ {\ rm {d}}} \ right) ^ {2} \ left ({\ frac {\ lambda _ {\ rm {C}}} {2 \ pi}} \ right) ^ {2}}},}$

где m _e и m _d - массы электрона и дейтрона соответственно, а λ _C - комптоновская длина волны электрона. ^[5] Для протона два радиуса одинаковы. ^[5]

История [ править ]

Первая оценка радиуса ядерного заряда была сделана Хансом Гейгером и Эрнестом Марсденом в 1909 году ^[6] под руководством Эрнеста Резерфорда в Физических лабораториях Манчестерского университета , Великобритания. Известный эксперимент включал рассеяние альфа-частиц с помощью золотой фольги, с некоторыми из частиц, рассеянных на углы более чем на 90 °, то возвращается к одной и той же стороне фольги в качестве альфа-источника. Резерфорд смог установить верхний предел радиуса ядра золота в 34 фемтометра . ^[7]

Более поздние исследования показали , эмпирическую зависимость между радиусом заряда и массовым числом , А , для тяжелых ядер ( A  > 20):

R ≈ r ₀ A ^⅓

где эмпирическая постоянная r ₀ 1,2–1,5 фм может интерпретироваться как комптоновская длина волны протона. Это дает зарядовый радиус ядра золота ( A  = 197) около 7,69 фм. ^[8]

Современные измерения [ править ]

Современные прямые измерения основаны на прецизионных измерениях уровней энергии атомов в водороде и дейтерии и измерениях рассеяния электронов ядрами . ^{[9] [10]} Знание зарядовых радиусов протонов и дейтронов представляет наибольший интерес , поскольку их можно сравнить со спектром атомарного водорода / дейтерия : ненулевой размер ядра вызывает сдвиг электронных уровней энергии, который показывает вверх как изменение частоты спектральных линий . ^[5] Такие сравнения представляют собой испытание из квантовой электродинамики(QED). С 2002 года зарядовые радиусы протона и дейтрона являются независимо уточненными параметрами в наборе рекомендуемых значений физических констант CODATA , то есть для определения рекомендуемых значений используются как данные рассеяния, так и спектроскопические данные. ^[11]

Рекомендуемые значения CODATA на 2014 год:

протон: R _p = 0,8751 (61) × 10 ⁻¹⁵ м

дейтрон: R _d = 2.1413 (25) × 10 ⁻¹⁵ м

Недавнее измерение лэмбовского сдвига в мюонном водороде ( экзотический атом, состоящий из протона и отрицательного мюона) указывает на значительно меньшее значение для зарядового радиуса протона,0.840 87 (39) фм : причина такого расхождения не ясна. ^[12]

Ссылки [ править ]