Raza de încărcare este o măsură a dimensiunii unui nucleu atomic , mai ales un proton sau un deuteron . Poate fi măsurat prin împrăștierea electronilor prin nucleu și, de asemenea, dedus din efectele dimensiunii nucleare finite asupra nivelurilor de energie ale electronilor măsurați în spectrul atomic .
Problema definirii unei raze pentru nucleul atomic este similară cu problema razei atomice , prin aceea că nici atomii, nici nucleii lor nu au limite bine definite. Cu toate acestea, nucleul poate fi modelat ca o sferă de sarcină pozitivă în interpretarea experimentelor de împrăștiere a electronilor (în) : faptul că nu există o limită definită la nucleu, electronii „văd” o serie de secțiuni transversale, din care o media poate fi extrasă. În practică, media pătratică (rms pentru „rădăcină înseamnă pătrat” în engleză) este utilizată deoarece este secțiunea transversală nucleară, proporțională cu pătratul razei, care este determinată de împrăștierea electronilor.
Această definiție a razei de încărcare poate fi aplicată și hadronilor compuși, cum ar fi un proton , neutron , pion sau kaon , care sunt alcătuite din mai mult de un quark . În cazul unui barion anti-materie (de exemplu un anti-proton) și a unor particule cu sarcină electrică netă zero, particulele compozite ar trebui modelate ca o sferă de sarcină electrică negativă mai degrabă decât o sarcină electrică pozitivă. Pentru interpretarea electronilor experimente de împrăștiere. În aceste cazuri, pătratul razei de încărcare a particulelor este setat să fie negativ, cu aceeași valoare absolută cu unitățile de lungime pătrate egale cu raza de sarcină pătrată pozitivă pe care ar fi avut-o dacă ar fi identice în toate celelalte privințe, fiecare quark din particulă avea sarcina electrică opusă (cu raza de încărcare în sine având o valoare care este un număr imaginar cu unități de lungime). Este obișnuit atunci când raza de încărcare ia o valoare imaginară pentru a raporta pătratul negativ al razei de încărcare, mai degrabă decât raza de încărcare în sine, pentru o particulă.
Cea mai cunoscută particulă cu o rază de sarcină pătrată negativă este neutronul . Explicația euristică a motivului pentru care pătratul razei de încărcare a unui neutron este negativă, în ciuda sarcinii sale electrice neutre generale, provine din faptul că quark-urile încărcate negativ sunt, în medie, situate în partea exterioară a neutronului, în timp ce este încărcat pozitiv. cuarcul sus este, în medie, spre centrul neutronului. Această distribuție asimetrică a sarcinilor în interiorul particulei are ca rezultat o rază de sarcină pătrată negativă mică pentru particula în ansamblu. Dar, este doar cel mai simplu dintre o varietate de modele teoretice, dintre care unele sunt mai elaborate, care sunt folosite pentru a explica această proprietate a neutronului.
Pentru deuteroni și nuclei mai grei, se obișnuiește să se distingă raza de încărcare de împrăștiere, r d (obținută din date de împrăștiere) și raza de sarcină de stare legată, R d , care include termenul Darwin-Fold pentru a lua în considerare comportamentul anomaliei moment magnetic într-un câmp electromagnetic și care este potrivit pentru prelucrarea datelor spectroscopice. Cele două raze sunt conectate prin relație
unde m e și m d sunt masele electronului și respectiv deuteronul, λ C este lungimea de undă Compton a electronului. Pentru proton, cele două raze sunt identice.
Prima estimare a razei de încărcare nucleară a fost făcută de Hans Geiger și Ernest Marsden în 1909, sub îndrumarea lui Ernest Rutherford la laboratoarele fizice ale Universității din Manchester , Marea Britanie. Celebrul experiment a implicat difuzia particulelor α pe o frunză de aur . Unele particule au fost împrăștiate la unghiuri mai mari de 90 °; prin urmare, s-au întors pe aceeași parte a foii cu sursa α. Rutherford a reușit să ofere o limită superioară pentru raza miezului de aur cu o valoare de 34 femtometri .
Studiile viitoare au arătat o relație empirică între raza de încărcare și numărul de masă , A , pentru nucleele mai grele ( A > 20):
R ≈ r 0 A ⅓unde constanta empirică r 0 de 1,2-1,5 fm poate fi interpretată ca raza protonului. Aceasta oferă o rază de încărcare pentru miezul de aur ( A = 197) de aproximativ 7,5 fm.
Măsurătorile directe moderne se bazează pe măsurători de precizie a nivelurilor de energie atomică în hidrogen și deuteriu și pe măsurători ale dispersiei electronilor prin nuclee. Există mai mult interes în cunoașterea razelor de încărcare a protonului și a deuteronului, deoarece acestea pot fi comparate cu spectrul hidrogenului / deuteriului atomic : dimensiunea non-zero a nucleului determină o schimbare a nivelurilor de energie electronică manifestate printr-un schimbarea frecvenței liniilor spectrale . Astfel de comparații sunt teste ale electrodinamicii cuantice . Din 2002, razele de încărcare ale protonului și deuteronului au fost rafinate independent în CODATA, care oferă valorile recomandate pentru constantele fizice. Atât datele de împrăștiere, cât și cele de spectroscopie au fost utilizate pentru a determina valorile recomandate.
Valorile recomandate pentru CODATA 2014 sunt:
proton: R p = 0,8751 (61) × 10 −15 m; deuteron: R d = 2,1413 (25) × 10 −15 m.O măsurare recentă a deplasării Lamb în protiul muonic (un atom exotic format dintr-un proton și un muon negativ) indică o valoare semnificativ mai mică pentru raza de încărcare a protonului, 0,84087 (39) fm: motivul acestui dezacord nu este clar. În 2016, cercetătorii au măsurat raza de încărcare a deuteronului printr-un studiu spectroscopic al unui deuteriu muonic și, la fel ca raza de încărcare a protonilor, au găsit o valoare semnificativ mai mică decât valoarea recomandată a CODATA.