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Radio de carga

El radio de carga rms es una medida del tamaño de un núcleo atómico , en particular de la distribución de protones . El radio del protón es de aproximadamente un femtómetro .10 −15  metros . Se puede medir por la dispersión de electrones por el núcleo. Los cambios relativos en la distribución de carga nuclear cuadrática media se pueden medir con precisión con espectroscopia atómica .

Definición

El problema de definir un radio para el núcleo atómico tiene cierta similitud con el de definir un radio para el átomo entero ; ninguno tiene límites bien definidos. Sin embargo, los modelos básicos de gota líquida del núcleo imaginan una densidad bastante uniforme de nucleones, dando teóricamente una superficie más reconocible a un núcleo que a un átomo, estando este último compuesto de nubes de electrones altamente difusas con una densidad que se reduce gradualmente a partir del centro. Para protones y neutrones individuales o núcleos pequeños, los conceptos de tamaño y límite pueden ser menos claros. Un solo nucleón debe considerarse como una bolsa " confinada en color " de tres quarks de valencia , gluones de enlace y un llamado "mar" de pares quark-antiquark. Además, el nucleón está rodeado por su campo de piones de Yukawa responsable de la fuerza nuclear fuerte . Podría ser difícil decidir si incluir el campo de mesones de Yukawa circundante como parte del tamaño del protón o del nucleón o considerarlo como una entidad separada.

Fundamentalmente importantes son los procedimientos experimentales realizables para medir algún aspecto del tamaño, sea lo que sea que eso signifique en el reino cuántico de los átomos y los núcleos. En primer lugar, el núcleo puede modelarse como una esfera de carga positiva para la interpretación de los experimentos de dispersión de electrones : los electrones "ven" un rango de secciones transversales, para las cuales se puede tomar una media. La calificación de "rms" ( root mean square ) surge porque es la sección transversal nuclear , proporcional al cuadrado del radio, la que es determinante para la dispersión de electrones.

Esta definición de radio de carga se aplica a menudo a hadrones compuestos como un protón , neutrón , pión o kaón , que están formados por más de un quark . En el caso de un barión de antimateria (por ejemplo, un antiprotón) y algunas partículas con carga eléctrica neta cero , la partícula compuesta debe modelarse como una esfera de carga eléctrica negativa en lugar de positiva para la interpretación de los experimentos de dispersión de electrones. En estos casos, el cuadrado del radio de carga de la partícula se define como negativo, con el mismo valor absoluto con unidades de longitud al cuadrado igual al radio de carga al cuadrado positivo que habría tenido si fuera idéntico en todos los demás aspectos pero cada quark en la partícula tuviera la carga eléctrica opuesta (con el radio de carga en sí mismo teniendo un valor que es un número imaginario con unidades de longitud). [1] Es habitual cuando el radio de carga toma un valor numerado imaginario informar el cuadrado de valor negativo del radio de carga, en lugar del radio de carga en sí mismo, para una partícula.

La partícula más conocida con un radio de carga al cuadrado negativo es el neutrón . La explicación heurística de por qué el radio de carga al cuadrado de un neutrón es negativo, a pesar de su carga eléctrica neutra general, es que esto es así porque sus quarks down con carga negativa están, en promedio, ubicados en la parte exterior del neutrón, mientras que su quark up con carga positiva está, en promedio, ubicado hacia el centro del neutrón. Esta distribución asimétrica de carga dentro de la partícula da lugar a un pequeño radio de carga al cuadrado negativo para la partícula en su conjunto. Pero este es solo el más simple de una variedad de modelos teóricos, algunos de los cuales son más elaborados, que se utilizan para explicar esta propiedad de un neutrón. [2]

Para los deuterones y los núcleos superiores, es convencional distinguir entre el radio de carga de dispersión, r d (obtenido a partir de datos de dispersión), y el radio de carga del estado ligado, R d , que incluye el término de Darwin-Foldy para dar cuenta del comportamiento del momento magnético anómalo en un campo electromagnético [3] [4] y que es apropiado para tratar datos espectroscópicos. [5] Los dos radios están relacionados por

donde m e y m d son las masas del electrón y del deuterón respectivamente mientras que λ C es la longitud de onda Compton del electrón. [5] Para el protón, los dos radios son los mismos. [5]

Historia

La primera estimación del radio de una carga nuclear fue realizada por Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909, [6] bajo la dirección de Ernest Rutherford en los Laboratorios de Física de la Universidad de Manchester , Reino Unido. El famoso experimento implicó la dispersión de partículas α por una lámina de oro , con algunas de las partículas dispersadas a través de ángulos de más de 90°, es decir, regresando al mismo lado de la lámina que la fuente α. Rutherford estableció un límite superior para el radio del núcleo de oro de 34 femtómetros . [7]

Estudios posteriores encontraron una relación empírica entre el radio de carga y el número de masa , A , para núcleos más pesados ​​( A  > 20):

R ≈ r 0 A 1/3

donde la constante empírica r 0 de 1,2–1,5 fm puede interpretarse como la longitud de onda Compton del protón. Esto da un radio de carga para el núcleo de oro ( A = 197 ) de aproximadamente 7,69 fm. [8]

Medidas modernas

Las mediciones directas modernas se basan en mediciones precisas de los niveles de energía atómica en hidrógeno y deuterio, y mediciones de dispersión de electrones por núcleos . [9] [10] Hay más interés en conocer los radios de carga de protones y deuterones , ya que estos se pueden comparar con el espectro del hidrógeno atómico y el deuterio : el tamaño distinto de cero del núcleo provoca un cambio en los niveles de energía electrónica que se muestra como un cambio en la frecuencia de las líneas espectrales . [5] Tales comparaciones son una prueba de la electrodinámica cuántica (QED).

Tanto los datos de dispersión como los datos espectroscópicos se utilizan para determinar los valores recomendados por CODATA para los radios de carga cuadrática media de protones y deuterones. [11] Además, las mediciones espectroscópicas se pueden realizar tanto con hidrógeno regular (que consta de un protón y un electrón) como con hidrógeno muónico (un átomo exótico que consta de un protón y un muón negativo). Una inconsistencia entre las mediciones del radio de carga de protones realizadas con diferentes técnicas [12] se conocía como el rompecabezas del radio de protones , pero las mediciones más recientes muestran resultados consistentes. [13]

Los valores recomendados por CODATA son:

protón:8,4075(64) × 10 −16  m ‍ [ 14]
deuterón:2,127 78 (27) × 10 −15  m ‍ [ 15]

Referencias

  1. ^ Véase, por ejemplo, Abouzaid, et al., "Una medición del radio de carga K 0 y una asimetría que viola CP junto con una búsqueda de emisión directa de fotones E1 que viola CP en la desintegración rara 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 (que determina que el kaón neutro tiene un radio de carga cuadrático medio negativo de -0,077 ± 0,007(stat) ± 0,011(syst)fm 2 ).
  2. ^ Véase, por ejemplo, J. Byrne, "The mean square charge radius of the neutron", Neutron News Vol. 5, Issue 4, pg. 15-17 (1994) (comparando diferentes explicaciones teóricas para el radio de carga cuadrático negativo observado del neutrón con los datos) DOI:10.1080/10448639408217664 https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10448639408217664
  3. ^ Foldy, LL (1958), "Interacción neutrón-electrón", Rev. Mod. Phys. , 30 (2): 471–81, Bibcode :1958RvMP...30..471F, doi :10.1103/RevModPhys.30.471.
  4. ^ Friar, JL; Martorell, J.; Sprung, DWL (1997), "Tamaños nucleares y desplazamiento de isótopos", 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). "Valores recomendados por CODATA de las constantes físicas fundamentales: 1998" (PDF) . Journal of Physical and Chemical Reference Data . 28 (6): 1713–1852. Bibcode :1999JPCRD..28.1713M. doi :10.1063/1.556049. Archivado desde el original (PDF) el 2017-10-01.
  6. ^ Geiger, H. ; Marsden, E. (1909), "Sobre una reflexión difusa de las partículas α", Actas de la Royal Society A , 82 (557): 495–500, Bibcode :1909RSPSA..82..495G, doi : 10.1098/rspa.1909.0054.
  7. ^ Rutherford, E. (1911), "La dispersión de partículas α y β por la materia y la estructura del átomo", Phil. Mag. , 6.ª serie, 21 (125): 669–88, doi :10.1080/14786440508637080.
  8. ^ Blatt, John M.; Weisskopf, Victor F. (1952), Física nuclear teórica , Nueva York: Wiley, págs. 14-16.
  9. ^ Sick, Ingo (2003), "Sobre el radio rms del protón", 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), "Sobre el radio cuadrático medio del deuterón", 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). "Valores recomendados por CODATA de las constantes físicas fundamentales: 2002" (PDF) . Reseñas de Física Moderna . 77 (1): 1–107. Bibcode :2005RvMP...77....1M. doi :10.1103/RevModPhys.77.1. Archivado desde el original (PDF) el 2017-10-01.
  12. ^ Antognini, A.; Nez, F.; Schuhmann, K.; Amaro, FD; Biraben, F.; Cardoso, JMR; Covita, DS; Dax, A.; Dhawan, S.; Diepold, M.; Fernandes, LMP; Giesen, A.; Gouvea, AL; Graf, T.; Hänsch, TW; Indelicato, P.; Julien, L.; Kao, C. -Y.; Knowles, P.; Kottmann, F.; Le Bigot, E. -O.; Liu, Y. -W.; Lopes, JAM; Ludhova, L.; Monteiro, CMB; Mulhauser, F.; Nebel, T.; Rabinowitz, P.; Dos Santos, JMF; Schaller, LA (2013). "Estructura del protón a partir de la medición de frecuencias de transición 2S-2P del hidrógeno muónico". Ciencia . 339 (6118): 417–420. Código Bibliográfico :2013Sci...339..417A. doi :10.1126/science.1230016. hdl : 10316/79993 . PMID  23349284. S2CID  346658.
  13. ^ Castelvecchi (7 de noviembre de 2019). «¿Qué tan grande es el protón? El rompecabezas del tamaño de las partículas se acerca cada vez más a la resolución». Nature . 575 (7782): 269–270. Bibcode :2019Natur.575..269C. doi :10.1038/d41586-019-03432-4. PMID  31719693. S2CID  207938065 . Consultado el 4 de noviembre de 2021 .
  14. ^ "Valor CODATA 2022: radio de carga rms del protón". Referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . Mayo de 2024. Consultado el 18 de mayo de 2024 .
  15. ^ "Valor CODATA 2022: radio de carga rms de deuterones". Referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . Mayo de 2024. Consultado el 18 de mayo de 2024 .