Электрический заряд ядра
Z
не дает представления
о распределении протонов в ядре. Некоторые представления о распределении электрического
заряда в ядре и его структуре можно получить с помощью дипольного и
квадрупольного моментов ядра.
Диполем называется система
из двух равных по величине зарядов q
разного знака, жестко закрепленных на расстоянии d.
Такая система, имея равный нулю электрический заряд, обладает свойством ориентироваться
по направлению электрического поля. Так как отрицательных зарядов в ядре нет,
то смещение положительного заряда (протонов) относительно нулевого (нейтронов)
вызывает появление дипольного момента и ядро поворачивается в электрическом
поле относительно центра инерции. Обычно рассматривают проекцию дипольного
момента ядра на ось Z,
совпадающую с направлением внешнего электрического поля. По определению
(1.6.28)
где -
распределение электрического заряда относительно центра инерции ядра (см.
рис.1.6.4), ‑
бесконечно малый заряд в точке ,
z
– проекция радиус-вектора выбранного объема на ось Z,
а интегрирование ведется по всему объему ядра. Экспериментальные измерения
показывают, что ядра в основном состоянии имеют всегда равный нулю электрический
дипольный момент, так как нет никаких причин, которые могли бы вызывать в
ядре смещение центра масс протонов относительно центра масс нейтронов.
Сильное электрическое поле может вызывать поляризацию протонов в ядре и возникновение
дипольного момента. Например, электромагнитное поле γ-кванта может вызывать
периодическое смещение протонов относительно нейтронов и возникновение дипольных
колебаний протонов в ядре.
Другой характеристикой распределения
электрического заряда в ядре является квадрупольный электрический момент Q,
который не равен нулю для многих ядер, находящихся даже в стационарных состояниях.
Квадрупольный момент определяет степень взаимодействие
ядра с неоднородным электрическим полем. Электрическим квадрупольным моментом
Q
ядра называется величина, определяемая соотношением
е
(1.6.29)
где использованы
те же обозначения, как и в (1.6.28), а ось Zсовпадает
с направлением градиента внешнего электрического поля; .
Для сферически
симметричного распределения электрического заряда x2=y2=z2
и подынтегральная функция в (1.6.29) обращается в нуль и Q = 0.
Таким образом, квадрупольный момент является мерой отклонения распределения
электрического заряда от
сферически симметричного. Величина Qположительна
для вытянутых ядер и отрицательна для сплюснутых. Квадрупольные момент имеет
размерность площади и часто измеряется в единицах барн, 1 барн
= 10‑24см2. В таблице 1.6.2 приведены величины
Q
для нескольких ядер. Существуют ядра как вытянутые, так и сплюснутые. Если
предположить, что вытянутые ядра являются эллипсоидами вращения, то их степень
вытянутости можно характеризовать величиной ,
где а – размер ядра вдоль оси Z,
а b
– максимальный размер перпендикулярно оси Z.
Обычно величина δ
≈ 1,02 ÷ 1,04, однако у ряда тяжелых ядер она достигает 1,2 ÷
1,5. Поэтому с хорошей точностью можно оценивать радиус ядра с помощью формулы
(1.5.2), подразумевая при этом средний радиус .
Все магические ядра имеют сферическую форму (Q
= 0),
которая, таким образом, соответствует наиболее устойчивым ядрам.
Для экспериментального определения квадрупольных моментов используются те
же методы, что и для измерения магнитных моментов - изучение сверхтонкой структуры
оптических линий в спектрах и радиочастотные методы. Взаимодействие квадрупольного
момента с градиентом внутриатомного электрического поля, позволяет выяснить
нарушение правила интервалов (1.6.24) и отделить расщепление спектральных
линий, связанное с наличием квадрупольного электрического момента у ядра,
с расщеплением, вызванным магнитным моментом ядра, и определить квадрупольный
момент ядра.
Другие главы электронного учебника "Физика для студентов технических университетов"
- распределение электрического заряда относительно центра инерции ядра (см. рис.1.6.4),
‑ бесконечно малый заряд в точке
, z – проекция радиус-вектора выбранного объема на ось Z, а интегрирование ведется по всему объему ядра. Экспериментальные измерения показывают, что ядра в основном состоянии имеют всегда равный нулю электрический дипольный момент, так как нет никаких причин, которые могли бы вызывать в ядре смещение центра масс протонов
относительно центра масс нейтронов. Сильное электрическое поле может вызывать поляризацию протонов в ядре и возникновение дипольного момента. Например, электромагнитное поле γ-кванта может вызывать периодическое смещение протонов относительно нейтронов и возникновение дипольных колебаний протонов в ядре.
. Для сферически симметричного распределения электрического заряда x2 = y2 = z2 и подынтегральная функция в (1.6.29) обращается в нуль и Q = 0. Таким образом, квадрупольный момент является мерой отклонения распределения электрического заряда от сферически симметричного. Величина Qположительна для вытянутых ядер и отрицательна для сплюснутых. Квадрупольные момент имеет размерность площади и часто измеряется в единицах барн, 1 барн = 10‑24см2. В таблице 1.6.2 приведены величины Q для нескольких ядер. Существуют ядра как вытянутые, так и сплюснутые. Если предположить, что вытянутые ядра являются эллипсоидами вращения, то их степень вытянутости можно характеризовать величиной
, где а – размер ядра вдоль оси Z, а b – максимальный размер перпендикулярно оси Z. Обычно величина δ ≈ 1,02 ÷ 1,04, однако у ряда тяжелых ядер она достигает 1,2 ÷ 1,5. Поэтому с хорошей точностью можно оценивать радиус ядра с помощью формулы (1.5.2), подразумевая при этом средний радиус
. Все магические ядра имеют сферическую форму (Q = 0), которая, таким образом, соответствует наиболее устойчивым ядрам.
Для экспериментального определения квадрупольных моментов используются те же методы, что и для измерения магнитных моментов - изучение сверхтонкой структуры оптических линий в спектрах и радиочастотные методы. Взаимодействие квадрупольного момента с градиентом внутриатомного электрического поля, позволяет выяснить нарушение правила интервалов (1.6.24) и отделить расщепление спектральных линий, связанное с наличием квадрупольного электрического момента у ядра, с расщеплением, вызванным магнитным моментом ядра, и определить квадрупольный момент ядра.
