Rádius nabíjení - Charge radius
Efektivní poloměr náboj je měřítkem velikosti za atomového jádra , zejména protonů distribuce. To lze měřit rozptylem elektronů jádrem. Relativní změny ve střední distribuci jaderného náboje lze přesně měřit pomocí atomové spektroskopie .
Definice
Problém definování poloměru pro atomové jádro je podobný problému s definováním poloměru pro celý atom ; atomy ani jejich jádra nemají určité hranice. Jádro však lze modelovat jako sféru kladného náboje pro interpretaci experimentů rozptylu elektronů : protože neexistuje žádné definitivní ohraničení jádra, elektrony „vidí“ řadu průřezů, pro které lze vzít průměr . Kvalifikace "rms" (pro " root mean square ") vzniká proto, že je to jaderný průřez , úměrný druhé mocnině poloměru, který je rozhodující pro rozptyl elektronů.
Tuto definici poloměru náboje lze také použít na kompozitní hadrony , jako je proton , neutron , pion nebo kaon , které jsou složeny z více než jednoho kvarku . V případě baryonu proti hmotě (např. Anti-protonu) a některých částic s nulovým čistým elektrickým nábojem musí být složená částice pro interpretaci experimentů rozptylu elektronů modelována spíše jako sféra negativního než pozitivního elektrického náboje . V těchto případech je čtverec poloměru náboje částice definován jako záporný, se stejnou absolutní hodnotou se čtvercovými jednotkami délky rovnými kladnému čtverci poloměru náboje, který by měl, kdyby byl stejný ve všech ostatních ohledech, ale každý kvark v částice měl opačný elektrický náboj (přičemž samotný poloměr náboje měl hodnotu, která je imaginárním číslem s jednotkami délky). Je obvyklé, když poloměr nabití nabývá imaginární očíslované hodnoty pro hlášení částice se zápornou hodnotou rádiusu náboje, nikoli samotného poloměru náboje.
Nejznámější částice se záporným čtvercovým poloměrem náboje je neutron . Heuristické vysvětlení, proč je poloměr čtvercového náboje neutronu záporný, navzdory jeho celkovému neutrálnímu elektrickému náboji, je to tak, protože jeho záporně nabité dolní kvarky jsou v průměru umístěny ve vnější části neutronu, zatímco jeho kladně nabitý kvark je v průměru umístěn směrem ke středu neutronu. Toto asymetrické rozložení náboje uvnitř částice vede k malému negativnímu čtvercovému poloměru náboje pro částici jako celek. Jedná se však pouze o nejjednodušší z řady teoretických modelů, z nichž některé jsou propracovanější a které se používají k vysvětlení této vlastnosti neutronu.
U deuteronů a vyšších jader je obvyklé rozlišovat mezi poloměrem rozptylu náboje r d (získaným z dat rozptylu) a poloměrem náboje vázaného stavu R d , který zahrnuje Darwinův-Foldyho výraz, který vysvětluje chování anomální magnetický moment v elektromagnetickém poli, a který je vhodný pro léčbu spektroskopických dat. Oba poloměry souvisejí s
kde m e a m d jsou hmotnosti elektronu a deuteronu, zatímco λ C je Comptonova vlnová délka elektronu. Pro proton jsou dva poloměry stejné.
Dějiny
První odhad poloměru jaderného náboje provedli Hans Geiger a Ernest Marsden v roce 1909 pod vedením Ernesta Rutherforda na Fyzikálních laboratořích univerzity v Manchesteru ve Velké Británii. Známý experiment zahrnoval rozptylu a-částic, které zlatou fólií, přičemž některé z částic, které jsou rozptýleny úhlu více než 90 °, který se vrací do stejné straně fólie, jako a-zdroje. Rutherford dokázal stanovit horní hranici poloměru zlatého jádra 34 femtometrů .
Pozdější studie zjistily, empirický vztah mezi poloměrem náboje a hmotové číslo , A , pro těžší jádra ( A > 20):
- R ≈ r 0 A ⅓
kde empirickou konstantu r 0 1,2–1,5 fm lze interpretovat jako Comptonovu vlnovou délku protonu. To dává poloměru náboje pro zlaté jádro ( A = 197) asi 7,69 fm.
Moderní měření
Moderní přímá měření jsou založena na přesném měření úrovní atomové energie ve vodíku a deuteriu a na měření rozptylu elektronů jádry . Největší zájem je o poznání poloměrů náboje protonů a deuteronů , protože je lze srovnávat se spektrem atomového vodíku / deuteria : nenulová velikost jádra způsobí posun v úrovních elektronické energie, který se projeví jako změna v frekvence spektrálních čar . Takové srovnání jsou zkouška z kvantové elektrodynamiky (QED). Od roku 2002 byly poloměry náboje protonu a deuteronu nezávisle rafinovanými parametry v sadě CODATA doporučených hodnot pro fyzikální konstanty, tj. Jak data rozptylu, tak i spektroskopická data se používají k určení doporučených hodnot.
Doporučené hodnoty 2014 CODATA jsou:
- proton: R p = 0,8751 (61) × 10 −15 m
- deuteron: R d = 2,1413 (25) × 10 −15 m
Nedávné měření Lambova posunu v muonickém vodíku ( exotický atom skládající se z protonu a záporného mionu) naznačuje významně nižší hodnotu poloměru náboje protonu, 0,840 87 (39) fm : důvod této nesrovnalosti není jasný.