Laddningsradie

Rms - laddningsradien är ett mått på storleken på en atomkärna , särskilt protonfördelningen . Protonradien är ungefär en femtometer =   10−15 ^meter . Det kan mätas genom spridningen av elektroner genom kärnan. Relativa förändringar i medelkvadratfördelningen av kärnladdningen kan mätas exakt med atomspektroskopi .

Definition

Problemet med att definiera en radie för atomkärnan har viss likhet med det att definiera en radie för hela atomen ; ingen av dem har väl definierade gränser. Grundläggande vätskedroppsmodeller av kärnan föreställer sig dock en ganska likformig densitet av nukleoner, vilket teoretiskt ger en mer igenkännbar yta till en kärna än en atom, den senare består av mycket diffusa elektronmoln med densiteten som gradvis minskar bort från centrum. För enskilda protoner och neutroner eller små kärnor kan begreppen storlek och gräns vara mindre tydliga. En enda nukleon måste betraktas som en " färgbegränsad " påse med tre valenskvarkar , bindande gluoner och så kallade "hav" av kvark-antikvarkpar. Dessutom är nukleonen omgiven av dess Yukawa-pionfält som ansvarar för den starka kärnkraften . Det kan vara svårt att avgöra om man ska inkludera det omgivande Yukawa-mesonfältet som en del av proton- eller nukleonstorleken eller att betrakta det som en separat enhet.

Grundläggande viktiga är realiserbara experimentella procedurer för att mäta någon aspekt av storlek, vad det än kan betyda i kvantvärlden av atomer och kärnor. Främst kan kärnan modelleras som en sfär med positiv laddning för tolkning av elektronspridningsexperiment : elektronerna "ser" en rad tvärsnitt, för vilka ett medelvärde kan tas. Kvalifikationen för "rms" (för " rotmedelkvadrat ") uppstår eftersom det är kärntvärsnittet, proportionellt mot kvadraten på radien, som bestämmer för elektronspridning.

Denna definition av laddningsradie tillämpas ofta på sammansatta hadroner som en proton , neutron , pion eller kaon , som består av mer än en kvark . I fallet med en antimateriabaryon (t.ex. en antiproton) och vissa partiklar med en nettoelektrisk laddning noll, måste den sammansatta partikeln modelleras som en sfär med negativ i stället för positiv elektrisk laddning för tolkning av elektronspridningsexperiment . I dessa fall definieras kvadraten på partikelns laddningsradie som negativ, med samma absoluta värde med längdenheter i kvadrat lika med den positiva kvadratiska laddningsradien som den skulle ha haft om den var identisk i alla andra avseenden men varje kvark i partikeln hade motsatt elektrisk laddning (med själva laddningsradien har ett värde som är ett tänkt tal med längdenheter). Det är vanligt när laddningsradien tar ett tänkt numrerat värde att rapportera den negativt värderade kvadraten på laddningsradien, snarare än själva laddningsradien, för en partikel.

Den mest kända partikeln med en negativ kvadratisk laddningsradie är neutronen . Den heuristiska förklaringen till varför en neutrons kvadratiska laddningsradie är negativ, trots dess totala neutrala elektriska laddning, är att så är fallet eftersom dess negativt laddade nedkvarkar i genomsnitt finns i den yttre delen av neutronen, medan dess positivt laddad kvark är i genomsnitt belägen mot neutronens centrum. Denna asymmetriska laddningsfördelning inom partikeln ger upphov till en liten negativ kvadratisk laddningsradie för partikeln som helhet. Men detta är bara den enklaste av en mängd olika teoretiska modeller, varav några är mer utarbetade, som används för att förklara denna egenskap hos en neutron.

För deuteroner och högre _kärnor är det konventionellt att skilja mellan spridningsladdningsradien, rd (erhållen från spridningsdata), och laddningsradien i bundet tillstånd, Rd , som _inkluderar Darwin-Foldy-termen för att redogöra för beteendet hos det anomala magnetiska momentet i ett elektromagnetiskt fält och som är lämpligt för behandling av spektroskopiska data. De två radierna är relaterade till

$R_{\rm {d}}={\sqrt {r_{\rm {d}}^{ 2}+{\frac {3}{4}}\left({\frac {m_{\rm {e}}}{m_{\rm {d}}}}\right)^{2}\left( {\frac {\lambda _{\rm {C}}}{2\pi }}\right)^{2}}},$

där m _e och m _d är massorna av elektronen respektive deuteronen medan λ _C är Compton-våglängden för elektronen. För protonen är de två radierna desamma.

Historia

Huvudartikel: Geiger–Marsden-experiment

Den första uppskattningen av en kärnladdningsradie gjordes av Hans Geiger och Ernest Marsden 1909, under ledning av Ernest Rutherford vid Physical Laboratories vid University of Manchester, Storbritannien. Det berömda experimentet involverade spridning av α-partiklar med guldfolie , med några av partiklarna spridda genom vinklar på mer än 90°, vilket kommer tillbaka till samma sida av folien som α-källan. Rutherford kunde sätta en övre gräns för radien av guldkärnan på 34 femtometer .

Senare studier fann ett empiriskt samband mellan laddningsradien och masstalet , A , för tyngre kärnor ( A > 20):

₀ R ≈ r A ^{1 ⁄ 3}

₀ där den empiriska konstanten r på 1,2–1,5 fm kan tolkas som Compton-våglängden för protonen. Detta ger en laddningsradie för guldkärnan ( A = 197) på cirka 7,69 fm.

Moderna mått

Moderna direkta mätningar är baserade på precisionsmätningar av atomenerginivåerna i väte och deuterium, och mätningar av spridning av elektroner genom kärnor . Det finns mest intresse av att känna till laddningsradien för protoner och deuteroner , eftersom dessa kan jämföras med spektrumet av atomärt väte / deuterium : kärnans storlek som inte är noll orsakar en förskjutning i de elektroniska energinivåerna som visar sig som en förändring i frekvensen av spektrallinjerna . Sådana jämförelser är ett test av kvantelektrodynamik (QED). Sedan 2002 har proton- och deuteronladdningsradien varit oberoende förfinade parametrar i CODATA -uppsättningen av rekommenderade värden för fysiska konstanter, det vill säga både spridningsdata och spektroskopiska data används för att bestämma de rekommenderade värdena.

2014 CODATA rekommenderade värden är:

proton: R _p = 0,8751(61)×10 ⁻¹⁵ m

deuteron: Rd = 2,1413(25)× ₁₀ ⁻¹⁵ m

Nyligen genomförd mätning av lammskiftet i muoniskt väte (en exotisk atom bestående av en proton och en negativ myon) indikerar ett betydligt lägre värde för protonladdningsradien, 0,840 87 (39) fm : orsaken till denna avvikelse är inte klar.