Электрический момент ядра

Электрический заряд ядра Z не дает полного представления о распределении протонов в ядре. Более сложными электрическими характеристиками ядра является дипольный и квадрупольный моменты 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. В стационарном (не возбужденном) состоянии нет никаких причин, которые могли бы вызывать в ядре смещение центра масс протонов относительно центра масс нейтронов. Поэтому электрический дипольный момент ядер в стационарном состоянии равен нулю. 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 Z выбирается таким образом, чтобы величина Q была максимальной по абсолютной величине (совпадала с осью симметрии ядра); . Для сферически симметричного распределения электрического заряда x ² = y ² = z ² и подынтегральная в (1.6.29) обращается в нуль и Q = 0. Таким образом, квадрупольный момент является мерой отклонения распределения электрического заряда от сферически симметричного и определяет степень вытянутости ядра относительно оси Z. Величина Q положительна для вытянутых ядер и отрицательна для сплюснутых. Квадрупольные момент имеет размерность площади и часто измеряется в единицах барн, 1 барн = 10^‑24 см ². 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 четно-четные ядра (ядра с четным числом протонов и нейтронов, а, следовательно, и 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.

Дата добавления: 2014-01-04