Raio de carga - Charge radius

O raio de carga rms é uma medida do tamanho de um núcleo atômico , particularmente a distribuição de prótons . Pode ser medido pelo espalhamento de elétrons pelo núcleo. Mudanças relativas na distribuição de carga nuclear quadrada média podem ser medidas com precisão com espectroscopia atômica .

Definição

O problema de definir um raio para o núcleo atômico é semelhante ao de definir um raio para todo o átomo ; nem os átomos nem seus núcleos têm limites definidos. No entanto, o núcleo pode ser modelado como uma esfera de carga positiva para a interpretação de experimentos de espalhamento de elétrons : porque não há um limite definido para o núcleo, os elétrons "vêem" uma gama de seções transversais, para as quais uma média pode ser tomada . A qualificação de "rms" (para " root mean square ") surge porque é a seção transversal nuclear , proporcional ao quadrado do raio, que é determinante para o espalhamento de elétrons.

Essa definição de raio de carga também pode ser aplicada a hádrons compostos , como prótons , nêutrons , píons ou kaons , que são compostos de mais de um quark . No caso de um bárion de anti-matéria (por exemplo, um anti-próton), e algumas partículas com uma carga elétrica líquida zero , a partícula composta deve ser modelada como uma esfera de carga elétrica negativa em vez de positiva para a interpretação dos experimentos de espalhamento de elétrons . Nestes casos, o quadrado do raio de carga da partícula é definido como negativo, com o mesmo valor absoluto com unidades de comprimento ao quadrado igual ao quadrado do raio de carga positivo que teria se fosse idêntico em todos os outros aspectos, mas cada quark na partícula tinha a carga elétrica oposta (com o próprio raio de carga tendo um valor que é um número imaginário com unidades de comprimento). É comum quando o raio da carga assume um valor imaginário numerado para relatar o quadrado de valor negativo do raio da carga, ao invés do próprio raio da carga, para uma partícula.

A partícula mais conhecida com um raio de carga ao quadrado negativo é o nêutron . A explicação heurística para porque o raio de carga ao quadrado de um nêutron é negativo, apesar de sua carga elétrica neutra geral, é que este é o caso porque seus quarks down carregados negativamente estão, em média, localizados na parte externa do nêutron, enquanto seus quark positivamente carregado está, em média, localizado em direção ao centro do nêutron. Essa distribuição assimétrica de carga dentro da partícula dá origem a um pequeno raio de carga ao quadrado negativo para a partícula como um todo. Mas, este é apenas o mais simples de uma variedade de modelos teóricos, alguns dos quais são mais elaborados, que são usados ​​para explicar esta propriedade de um nêutron.

Para deutérios e núcleos superiores, é convencional distinguir entre o raio de carga de espalhamento, r _d (obtido a partir de dados de espalhamento), e o raio de carga de estado ligado, R _d , que inclui o termo Darwin-Foldy para explicar o comportamento de o momento magnético anômalo em um campo eletromagnético e que é apropriado para o tratamento de dados espectroscópicos. Os dois raios estão relacionados por

${\ displaystyle R _ {\ rm {d}} = {\ sqrt {r _ {\ rm {d}} ^ {2} + {\ frac {3} {4}} \ left ({\ frac {m _ {\ rm {e}}} {m _ {\ rm {d}}}} \ right) ^ {2} \ left ({\ frac {\ lambda _ {\ rm {C}}} {2 \ pi}} \ right) ^ {2}}},}$

onde m _e e m _d são as massas do elétron e do deutério, respectivamente, enquanto λ _C é o comprimento de onda Compton do elétron. Para o próton, os dois raios são iguais.

História

A primeira estimativa de um raio de carga nuclear foi feita por Hans Geiger e Ernest Marsden em 1909, sob a direção de Ernest Rutherford nos Laboratórios Físicos da Universidade de Manchester , Reino Unido. O famoso experimento envolveu o espalhamento de partículas α pela folha de ouro , com algumas das partículas sendo espalhadas em ângulos de mais de 90 °, que estão voltando para o mesmo lado da folha que a fonte α. Rutherford foi capaz de colocar um limite superior no raio do núcleo de ouro de 34 femtometres .

Estudos posteriores encontraram uma relação empírica entre o raio de carga e o número de massa , A , para núcleos mais pesados ​​( A  > 20):

R ≈ r ₀ A ^⅓

onde a constante empírica r ₀ de 1,2-1,5 fm pode ser interpretada como o comprimento de onda Compton do próton. Isso dá um raio de carga para o núcleo de ouro ( A  = 197) de cerca de 7,69 fm.

Medidas modernas

As medições diretas modernas são baseadas em medições precisas dos níveis de energia atômica em hidrogênio e deutério, e medições de espalhamento de elétrons por núcleos . Há mais interesse em saber os raios carga de protões e dêuterons , uma vez que estes podem ser comparados com o espectro de atómica hidrogénio / deutério : o tamanho diferente de zero do núcleo faz com que uma mudança nos níveis de energia electrónicos que aparece como uma mudança na frequência das linhas espectrais . Essas comparações são um teste de eletrodinâmica quântica (QED). Desde 2002, os raios de carga do próton e do deuteron têm sido parâmetros refinados de forma independente no conjunto CODATA de valores recomendados para constantes físicas, ou seja, dados de espalhamento e dados espectroscópicos são usados ​​para determinar os valores recomendados.

Os valores recomendados CODATA de 2014 são:

próton: R _p = 0,8751 (61) × 10 ⁻¹⁵ m

deuteron: R _d = 2,1413 (25) × 10 ⁻¹⁵ m

A medição recente do deslocamento de Lamb no hidrogênio muônico (um átomo exótico que consiste em um próton e um múon negativo) indica um valor significativamente mais baixo para o raio de carga do próton, 0,840 87 (39) fm : a razão para esta discrepância não é clara.

Referências