Rayon de charge - Charge radius
Le rayon de charge efficace est une mesure de la taille d'un noyau atomique , en particulier la distribution des protons . Elle peut être mesurée par la diffusion des électrons par le noyau. Les changements relatifs dans la distribution de la charge nucléaire quadratique moyenne peuvent être mesurés avec précision par spectroscopie atomique .
Définition
Le problème de la définition d'un rayon pour le noyau atomique est similaire à celui de la définition d'un rayon pour l'atome entier ; ni les atomes ni leurs noyaux n'ont de frontières définies. Cependant, le noyau peut être modélisé comme une sphère de charge positive pour l'interprétation des expériences de diffusion d'électrons : comme il n'y a pas de frontière définie avec le noyau, les électrons "voient" une gamme de sections efficaces, pour lesquelles une moyenne peut être prise . La qualification de "rms" (pour " root mean square ") vient du fait que c'est la section efficace nucléaire , proportionnelle au carré du rayon, qui est déterminante pour la diffusion des électrons.
Cette définition du rayon de charge peut également être appliquée aux hadrons composites tels qu'un proton , un neutron , un pion ou un kaon , qui sont constitués de plus d'un quark . Dans le cas d'un baryon anti-matière (par exemple un anti-proton), et de certaines particules avec une charge électrique nette nulle , la particule composite doit être modélisée comme une sphère de charge électrique négative plutôt que positive pour l'interprétation des expériences de diffusion d'électrons . Dans ces cas, le carré du rayon de charge de la particule est défini comme étant négatif, avec la même valeur absolue avec des unités de longueur au carré égal au rayon de charge carré positif qu'elle aurait eu si elle était identique à tous les autres égards mais chaque quark dans la particule avait la charge électrique opposée (avec le rayon de charge lui-même ayant une valeur qui est un nombre imaginaire avec des unités de longueur). Il est courant lorsque le rayon de charge prend une valeur numérotée imaginaire pour signaler le carré de valeur négative du rayon de charge, plutôt que le rayon de charge lui-même, pour une particule.
La particule la plus connue avec un rayon de charge carré négatif est le neutron . L'explication heuristique de la raison pour laquelle le rayon de charge au carré d'un neutron est négatif, malgré sa charge électrique neutre globale, est que c'est le cas parce que ses quarks descendants chargés négativement sont, en moyenne, situés dans la partie externe du neutron, tandis que son le quark chargé positivement est, en moyenne, situé vers le centre du neutron. Cette distribution asymétrique de charge au sein de la particule donne lieu à un petit rayon de charge carré négatif pour la particule dans son ensemble. Mais ce n'est que le plus simple d'une variété de modèles théoriques, dont certains sont plus élaborés, qui sont utilisés pour expliquer cette propriété d'un neutron.
Pour les deutons et les noyaux supérieurs, il est classique de faire la distinction entre le rayon de charge de diffusion, r d (obtenu à partir des données de diffusion), et le rayon de charge à l'état lié, R d , qui comprend le terme de Darwin-Foldy pour rendre compte du comportement de le moment magnétique anormal dans un champ électromagnétique et qui est approprié pour traiter des données spectroscopiques. Les deux rayons sont liés par
où m e et m d sont respectivement les masses de l'électron et du deutéron tandis que λ C est la longueur d' onde Compton de l'électron. Pour le proton, les deux rayons sont les mêmes.
Histoire
La première estimation d'un rayon de charge nucléaire a été faite par Hans Geiger et Ernest Marsden en 1909, sous la direction d' Ernest Rutherford aux Laboratoires physiques de l' Université de Manchester , au Royaume-Uni. La célèbre expérience impliquait la diffusion de particules α par une feuille d' or , certaines des particules étant dispersées selon des angles de plus de 90 °, ce qui revient du même côté de la feuille que la source α. Rutherford a pu mettre une limite supérieure sur le rayon du noyau d'or de 34 femtomètres .
Des études ultérieures ont trouvé une relation empirique entre le rayon de charge et le nombre de masse , A , pour les noyaux plus lourds ( A > 20):
- R ≈ r 0 A ⅓
où la constante empirique r 0 de 1,2 à 1,5 fm peut être interprétée comme la longueur d' onde Compton du proton. Cela donne un rayon de charge pour le noyau d'or ( A = 197) d'environ 7,69 fm.
Mesures modernes
Les mesures directes modernes sont basées sur des mesures de précision des niveaux d'énergie atomique dans l'hydrogène et le deutérium, et sur des mesures de diffusion des électrons par les noyaux . Il est plus intéressant de connaître les rayons de charge des protons et des deutons , car ils peuvent être comparés au spectre de l' hydrogène atomique / deutérium : la taille non nulle du noyau provoque un décalage des niveaux d'énergie électronique qui se manifeste par un changement dans le fréquence des raies spectrales . De telles comparaisons sont un test d' électrodynamique quantique (QED). Depuis 2002, les rayons de charge du proton et du deutéron ont été indépendamment affinés dans l' ensemble CODATA de valeurs recommandées pour les constantes physiques, c'est-à-dire que les données de diffusion et les données spectroscopiques sont utilisées pour déterminer les valeurs recommandées.
Les valeurs recommandées pour le CODATA 2014 sont:
- proton: R p = 0,8751 (61) × 10 −15 m
- deutéron: R d = 2,1413 (25) × 10 −15 m
Une mesure récente du déplacement de Lamb dans l'hydrogène muonique (un atome exotique constitué d'un proton et d'un muon négatif) indique une valeur nettement inférieure pour le rayon de charge du proton, 0.840 87 (39) fm : la raison de cet écart n'est pas claire.