Заряд ядра. Распределение заряда в ядре. Форм фактор.
Все имеющиеся в настоящее время экспериментальные результаты согласуются с тем положением, что электрический заряд любой субатомной частицы Q всегда равен целому кратному элементарного кванта e:
Q=Ze, где e=4,8·10-10 ед. СГСЭ или e=1,6·10-19 Кº(4p·1,44 МэВ·Фм)1/2
Квантование заряда было установлено в знаменитых экспериментах Милликена с масляными каплями.
Исторически самым первым методом, позволившим оценить заряд ядра и отождествить его величину (в зарядах протона) с атомным номером, является исследование углового распределения a -частиц при рассеянии их тонкими фольгами (опыты Герца и Мерсдена), которое описывается формулой Резерфорда
, (3.2)
где Z1-атомный номер элемента, из которого изготовлена фольга; Z2=2 атомный номер a -частицы; Е-энергия a-частицы; q-угол рассеяния a-частицы.
Более точно заряды ядер всех элементов Периодической системы были установлены по спектрам характеристического рентгеновского излучения, частота которого nnm связана с атомным номером Z исследуемого образца законом Мозли
, (3.3)
где R- постоянная Ридберга; s- постоянная экранирования; n,m – главные квантовые числа атомных электронных состояний, между которыми происходит радиационный переход.
Рис. 3.1.Долгоживущие изотопы (линией ограничены ядра с измеренными временами жизни и массами).
Информацию о радиальном распределении плотности ядерного заряда можно получить, изучая рассеяние заряженных частиц. Особенно подходит для этой цели рассеяние высокоэнергетичных электронов, которые (в отличие от a -частиц) вступают только в электромагнитное взаимодействие с составляющими ядра. Это и позволяет прощупать распределение заряда. Для дифференциального сечения рассеяния электронов на ядре должна иметь место формула наподобие формулы Резерфорда. Однако эта формула должна отличаться от формулы Резерфорда в двух отношениях:
· должна быть применима к релятивистским частицам (v»c);
· должна учитывать наличие ненулевого (s=1/2) спина электрона.
Такая формула была получена Мотом в 1929 г. в рамках квантовой электродинамики и в пренебрежении отдачей ядра имеет вид
. (3.4)
Формула Мотта получена в предположении бесструктурности (точечности) ядра. Если ядро -протяженный сферически-симметричный и бесспиновый объект с плотностью заряда r(r), то экспериментальное сечение упругого рассеяния электронов на нём будет отличаться от мотовского неким дополнительным множителем, который определяется только кулоновским взаимодействием и называется кулоновским форм-фактором:
. (3.5)
Величина форм-фактора F зависит от r(r) и может быть рассчитана для любого r(r), так как электроны не участвуют в ядерном (сильном) взаимодействии и взаимодействуют с ядром почти исключительно посредством электромагнитного поля.
, (3.6)
где q=(p-p’)-переданный ядру импульс.
Кроме того, на современном уровне знаний электрон можно считать точечной частицей. Таким образом, в форм-фактор упругого рассеяния дает вклад только r(r) ядра. Схема нахождения r(r) такова. Определяют и затем сравнивают с . Из их сравнения находят F(q2).
Эксперименты по неупругому рассеянию электронов показали, что протон и нейтрон не являются точечными частицами. Для протона распределение электрического заряда имеет вид:
. (3.7)
Из (3.6) можно найти среднеквадратичный радиус протона, учитывая, что заряд, сосредоточенный в шаровом слое единичной толщины, равен 4pr2r(r):
. (3.8)
Отсюда размер протона . Размер нейтрона примерно такой же.
Для ядер, расположенных вблизи долины стабильности, были установлены следующие закономерности.
• Пространственное распределение протонов и нейтронов для ядер вблизи долины стабильности практически совпадают.
• Плотность ядерной материи в центре ядра r 0 приблизительно одинакова и составляет ~17нукл./Фм3.
• Толщина поверхностного слоя t (спад плотности от 0,9 до 0,1 r0) у всех ядер приблизительно одинакова t=4,4a=2,4Фм