El radio de carga rms es una medida del tamaño de un núcleo atómico , particularmente de la distribución de protones . El radio del protón es aproximadamente un femtómetro =10-15 metros . Puede medirse 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 espectroscopía atómica .
El problema de definir un radio para el núcleo atómico tiene cierta similitud con el de definir un radio para todo el átomo ; ninguno tiene límites bien definidos. Sin embargo, los modelos básicos de gotas de líquido del núcleo imaginan una densidad bastante uniforme de nucleones, lo que teóricamente da una superficie más reconocible a un núcleo que a un átomo, este último compuesto por nubes de electrones muy difusas cuya densidad 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 unión y el llamado "mar" de pares quark-antiquark. Además, el nucleón está rodeado por su campo piónico Yukawa responsable de la fuerza nuclear fuerte . Podría resultar difícil decidir si incluir el campo de mesones Yukawa circundante como parte del tamaño de protones o nucleones o considerarlo como una entidad separada.
Son de fundamental importancia los procedimientos experimentales realizables para medir algún aspecto del tamaño, sea lo que sea que eso pueda significar en el reino cuántico de los átomos y los núcleos. Ante todo, el núcleo puede modelarse como una esfera de carga positiva para la interpretación de experimentos de dispersión de electrones : los electrones "ven" una variedad de secciones transversales, para las cuales se puede tomar una media. La calificación de "rms" ( raíz cuadrática media ) 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 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 positivo al cuadrado que habría tenido si fuera idéntica en todos los demás aspectos pero cada quark en la partícula tenía la carga eléctrica opuesta (y el radio de carga en sí tenía un valor que es un número imaginario con unidades de longitud). [1] Es habitual cuando el radio de carga toma un valor numerado imaginario para informar el cuadrado con valor negativo del radio de carga, en lugar del radio de carga en sí, 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 este es el caso porque sus quarks down cargados negativamente están, en promedio, ubicados en la parte exterior del neutrón, mientras que sus quarks down con carga negativa están, en promedio, ubicados en la parte exterior del neutrón. El quark cargado positivamente se encuentra, en promedio, hacia el centro del neutrón. Esta distribución asimétrica de carga dentro de la partícula da lugar a un pequeño radio de carga cuadrado negativo para la partícula en su conjunto. Pero este es sólo 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 deuterones y núcleos superiores, es convencional distinguir entre el radio de carga de dispersión, rd (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 explicar el comportamiento de el momento magnético anómalo en un campo electromagnético [3] [4] y que es apropiado para el tratamiento de 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 iguales. [5]
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 mediante una lámina de oro , algunas de las partículas se dispersaron en ángulos de más de 90°, es decir, regresaron al mismo lado de la lámina que la fuente α. Rutherford puso un límite superior al 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):
donde la constante empírica r 0 de 1,2 a 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]
Las mediciones directas modernas se basan en mediciones precisas de los niveles de energía atómica en hidrógeno y deuterio, y en mediciones de la dispersión de electrones por los núcleos . [9] [10] Lo más interesante es conocer los radios de carga de los protones y deuterones , ya que pueden compararse con el espectro atómico del hidrógeno y del deuterio : el tamaño distinto de cero del núcleo provoca un cambio en los niveles de energía electrónica que muestra como un cambio en la frecuencia de las líneas espectrales . [5] Estas 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 utilizando diferentes técnicas [12] se conoció como el rompecabezas del radio de protones , pero mediciones más recientes muestran resultados consistentes. [13]
Los valores recomendados por CODATA son:
