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 .
Проблема определения радиуса для атомного ядра имеет некоторое сходство с проблемой определения радиуса для всего атома ; ни одна из них не имеет четко определенных границ. Однако основные модели жидкой капли ядра представляют довольно однородную плотность нуклонов, теоретически давая более узнаваемую поверхность ядру, чем атому, который 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, включать ли 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]
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):
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 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).
Для определения рекомендуемых CODATA значений среднеквадратичного зарядового радиуса протона и дейтрона используются как данные рассеяния, так и спектроскопические данные . [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 зарядового радиуса протона, выполненными с использованием различных методов [12], было известно как загадка радиуса протона , но более поздние измерения показывают согласованные результаты. [13]
Рекомендуемые значения CODATA:
