stringtranslate.com

Радиус заряда

Среднеквадратичный радиус заряда является мерой размера атомного ядра , в частности, распределения протонов . Радиус протона составляет около одного фемтометра =10 −15  метра . Его можно измерить путем рассеяния электронов ядром. Относительные изменения в распределении среднеквадратичного ядерного заряда можно точно измерить с помощью атомной спектроскопии .

Определение

Проблема определения радиуса атомного ядра имеет некоторое сходство с проблемой определения радиуса всего атома ; ни одна из них не имеет четко определенных границ. Однако основные модели жидкой капли ядра предполагают довольно однородную плотность нуклонов, что теоретически дает более узнаваемую поверхность ядру, чем атому, поскольку последний состоит из сильно диффузных электронных облаков с плотностью, постепенно уменьшающейся от центра. Для отдельных протонов и нейтронов или малых ядер концепции размера и границы могут быть менее ясными. Отдельный нуклон необходимо рассматривать как « ограниченный цветом » мешок из трех валентных кварков , связывающих глюонов и так называемого «моря» пар кварк-антикварк. Кроме того, нуклон окружен своим пионным полем Юкавы , ответственным за сильное ядерное взаимодействие . Может быть трудно решить, следует ли включать окружающее мезонное поле Юкавы как часть размера протона или нуклона или рассматривать его как отдельную сущность.

Фундаментально важны реализуемые экспериментальные процедуры для измерения некоторых аспектов размера, что бы это ни значило в квантовой сфере атомов и ядер. Прежде всего, ядро ​​можно смоделировать как сферу положительного заряда для интерпретации экспериментов по рассеянию электронов : электроны «видят» диапазон сечений, для которых может быть взято среднее значение. Квалификация «rms» ( среднеквадратичный корень ) возникает, поскольку именно ядерное сечение , пропорциональное квадрату радиуса, является определяющим для рассеяния электронов.

Это определение радиуса заряда часто применяется 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 нулевым чистым 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 радиуса заряда частицы определяется как отрицательный, с тем же абсолютным значением с единицами длины в квадрате, равным положительному квадрату 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 сам радиус заряда имеет значение, которое является мнимым числом с единицами длины). [1] Обычно, когда радиус заряда принимает мнимое числовое значение, сообщают об отрицательном квадрате радиуса заряда, а не самом радиусе заряда для частицы.

Самая известная частица с отрицательным квадратом зарядового радиуса — нейтрон . Эвристическое объяснение того, почему квадрат зарядового радиуса нейтрона отрицателен, несмотря на его общий нейтральный электрический заряд, заключается в том, что это происходит потому, что его отрицательно заряженные нижние кварки в среднем расположены во внешней части нейтрона, в то время как его положительно заряженный верхний кварк в среднем расположен по направлению к центру нейтрона. Это асимметричное распределение заряда внутри частицы приводит к небольшому отрицательному квадрату зарядового радиуса для частицы в целом. Но это лишь самая простая 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 по рассеянию) и радиус связанного заряда R d , который включает член Дарвина–Фолди для учета поведения аномального магнитного момента в электромагнитном поле [3] [4] и который подходит для обработки спектроскопических данных. [5] Два радиуса связаны соотношением

где m e и m d — массы электрона и дейтрона соответственно, а λ C — комптоновская длина волны электрона. [5] Для протона оба радиуса одинаковы. [5]

История

Первая оценка радиуса заряда ядра была сделана Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом в 1909 году [6] под руководством Эрнеста Резерфорда в Физических лабораториях Манчестерского университета , Великобритания. Знаменитый эксперимент включал рассеяние α-частиц золотой фольгой , при этом некоторые частицы рассеивались на углы более 90°, то есть возвращались на ту же сторону фольги, что и источник α-частиц. Резерфорд установил верхний предел радиуса золотого ядра в 34 фемтометра [7] .

Более поздние исследования обнаружили эмпирическую связь между радиусом заряда и массовым числом A для более тяжелых ядер ( A >  20):

R ≈ r 0 A 1/3

где эмпирическая константа r 0 1,2–1,5 фм может быть интерпретирована как комптоновская длина волны протона. Это дает радиус заряда для ядра золота ( A = 197 ) около 7,69 фм. [8]

Современные измерения

Современные прямые измерения основаны на точных измерениях уровней атомной энергии водорода и дейтерия, а также измерениях рассеяния электронов ядрами . [9] [10] Наибольший интерес представляет знание зарядовых радиусов протонов и дейтронов , поскольку их можно сравнить со спектром атомарного водорода и дейтерия : ненулевой размер ядра вызывает сдвиг электронных уровней энергии, который проявляется как изменение частоты спектральных линий . [5] Такие сравнения являются проверкой квантовой электродинамики (КЭД).

Как данные рассеяния, так и спектроскопические данные используются для определения рекомендуемых CODATA значений для среднеквадратических радиусов заряда протона и дейтрона. [11] Кроме того, спектроскопические измерения могут быть выполнены как с обычным водородом (состоящим из протона и электрона), так и с мюонным водородом ( экзотическим атомом, состоящим из протона и отрицательного мюона). Несоответствие между измерениями радиуса заряда протона, выполненными с использованием различных методов [12], было известно как загадка радиуса протона , но более поздние измерения показывают согласованные результаты. [13]

Рекомендуемые значения CODATA:

протон:8,4075(64) × 10 −16  м ‍ [ 14]
дейтрон:2,127 78 (27) × 10 −15  м ‍ [ 15]

Ссылки

  1. ^ См., например, Abouzaid, et al., «Измерение радиуса заряда K 0 и асимметрии, нарушающей CP, вместе с поиском прямого излучения фотона E1, нарушающего CP, в редком распаде K L → π + π − e + e − », Phys. Rev. Lett. 96:101801 (2006) DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.101801 https://arxiv.org/abs/hep-ex/0508010 (определяя, что нейтральный каон имеет отрицательный среднеквадратичный радиус заряда -0,077 ± 0,007(стат) ± 0,011(сист)фм 2 ).
  2. ^ См., например, J. Byrne, "Средний квадратный радиус заряда нейтрона", Neutron News Vol. 5, Issue 4, pg. 15-17 (1994) (сравнение различных теоретических объяснений наблюдаемого отрицательного квадрата радиуса заряда нейтрона с данными) DOI:10.1080/10448639408217664 https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10448639408217664
  3. ^ Foldy, LL (1958), "Взаимодействие нейтронов и электронов", Rev. Mod. Phys. , 30 (2): 471–81, Bibcode : 1958RvMP...30..471F, doi : 10.1103/RevModPhys.30.471.
  4. ^ Фрайар, Дж. Л.; Марторелл, Дж.; Спрунг, Д. В. Л. (1997), «Размеры ядер и изотопный сдвиг», Phys. Rev. A , 56 (6): 4579–86, arXiv : nucl-th/9707016 , Bibcode : 1997PhRvA..56.4579F, doi : 10.1103/PhysRevA.56.4579, S2CID  16441189.
  5. ^ abcd Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N. (1999). "CODATA recommended values ​​of the fundamental physical constants: 1998" (PDF) . Journal of Physical and Chemical Reference Data . 28 (6): 1713–1852. Bibcode :1999JPCRD..28.1713M. doi :10.1063/1.556049. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-10-01.
  6. ^ Гейгер, Х.; Марсден , Э. (1909), «О диффузном отражении α-частиц», Труды Королевского общества A , 82 (557): 495–500, Bibcode : 1909RSPSA..82..495G, doi : 10.1098/rspa.1909.0054.
  7. ^ Резерфорд, Э. (1911), «Рассеяние α- и β-частиц материей и структура атома», Phil. Mag. , 6-я серия, 21 (125): 669–88, doi :10.1080/14786440508637080.
  8. ^ Блатт, Джон М.; Вайскопф, Виктор Ф. (1952), Теоретическая ядерная физика , Нью-Йорк: Wiley, стр. 14–16.
  9. ^ Sick, Ingo (2003), "О среднеквадратичном радиусе протона", Phys. Lett. B , 576 (1–2): 62–67, arXiv : nucl-ex/0310008 , Bibcode : 2003PhLB..576...62S, doi : 10.1016/j.physletb.2003.09.092, S2CID  119339313.
  10. ^ Sick, Ingo; Trautmann, Dirk (1998), "О среднеквадратичном радиусе дейтрона", Nucl. Phys. A , 637 (4): 559–75, Bibcode : 1998NuPhA.637..559S, doi : 10.1016/S0375-9474(98)00334-0.
  11. ^ Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N. (2005). "CODATA recommended values ​​of the fundamental physical constants: 2002" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 77 (1): 1–107. Bibcode :2005RvMP...77....1M. doi :10.1103/RevModPhys.77.1. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-10-01.
  12. ^ Антоньини, А.; Нез, Ф.; Шуман, К.; Амаро, Флорида; Бирабен, Ф.; Кардосо, JMR; Ковита, Д.С.; Дакс, А.; Дхаван, С.; Дипольд, М.; Фернандес, LMP; Гизен, А.; Гувеа, Алабама; Граф, Т.; Хэнш, ТВ; Инделикато, П.; Жюльен, Л.; Као, К.-Ю.; Ноулз, П.; Коттманн, Ф.; Ле Биго, Э.-О.; Лю, Ю.-В.; Лопес, ДЖЕМ; Людхова Л.; Монтейро, CMB; Мюлхаузер, Ф.; Небель, Т.; Рабиновиц, П.; Дос Сантос, JMF; Шаллер, Луизиана (2013). «Структура протона по измерению частот перехода 2S-2P мюонного водорода». Science . 339 (6118): 417–420. Bibcode :2013Sci...339..417A. doi :10.1126/science.1230016. hdl : 10316 /79993 . PMID  23349284. S2CID  346658.
  13. ^ Кастельвекки (2019-11-07). «Насколько велик протон? Головоломка о размере частиц приближается к разрешению». Nature . 575 (7782): 269–270. Bibcode :2019Natur.575..269C. doi :10.1038/d41586-019-03432-4. PMID  31719693. S2CID  207938065 . Получено 2021-11-04 .
  14. ^ "2022 CODATA Value: радиус заряда протона rms". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
  15. ^ "2022 CODATA Value: deuteron rms charge radius". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .