Электрический момент ядра

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 электрического заряда (протонов) относительно нулевого (нейтронов) вызывает появление дипольного момента и ядро может поворачиваться в электрическом поле относительно центра инерции. Обычно рассматривают проекцию дипольного момента ядра на ось Z, совпадающую с направлением внешнего электрического поля. По определению

(1.6.30)

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.

Исследование сверхтонкой структуры оптических спектров показало, что в ряде случаев наблюдается нарушение правила интервалов (1.6.25), справедливого для магнитного расщепления. Это свидетельствовало о том, что ядра могут иметь отличный от нуля квадрупольный электрический момент Q, взаимодействие которого с неоднородным электрическим полем вызывает появление добавочных линий сверхтонкого расщепления. Оказалось, что квадрупольный электрический момент не равен нулю для многих ядер, находящихся даже в основных состояниях. Электрическим квадрупольным моментом Q ядра называется величина, определяемая соотношением

е

(1.6.31)

где ось Z совпадает с направлением оси симметрии ядра, а . Если предположить, что плотность электрического заряда постоянна, а ядро имеет форму эллипсоида вращения относительно одной из осей симметрии (см. рис. 1.6.4), то

(1.6.32)

Величина Q положительна для вытянутых ядер (b>a), отрицательна для сплюснутых (b<a), и равна нулю (b=a) для ядер, имеющих сферическую симметрию. Таким образом, квадрупольный момент является мерой отклонения распределения электрического заряда от сферически-симметричного. Квадрупольный момент имеет размерность площади и обычно измеряется в единицах барн, 1 барн = 10^‑24 см². В таблице 1.6.2 приведены величины Q для нескольких ядер. Как следует из таблицы 1.6.2, существуют ядра как вытянутые, так и сплюснутые. Степень вытянутости можно характеризовать величиной отношения полуосей эллипсоида , Обычно величина δ ≈ 1,02 ÷ 1,04, однако у ряда тяжелых ядер она достигает 1,2 ÷ 1,5. Все магические ядра имеют сферическую форму (Q = 0), которая, таким образом, соответствует наиболее устойчивым ядрам.