Распределение электрического заряда

Для изучения распределения электрического заряда в субатомной частице в качестве частицы-зонда надо использовать заряженную частицу. Причем эта частица должна электромагнитно взаимодействовать с исследуемой частицей. Электромагнитное взаимодействие не должно “перебиваться” более сильным адронным взаимодействием. По этой причине почти идеальным средством изучения распределения заряда являются электроны.

В экспериментах по рассеянию электронов на водородных мишенях было установлено, что в протонах плотность заряда экспоненциально убывает от центра к периферии. Протон не имеет границы в виде четкой поверхности. Граница размыта.

Ту же степень размытия имеют ядра. В ядрах средней массы, в которых число протонов равно числу нейтронов, заряд внутри ядра распределен равномерно. Только на поверхности имеется экспоненциальный спад плотности заряда. Это означает, что ядра не имеют четко определенной поверхности.

В тяжелых ядрах заряд по объему распределен неравномерно. Ближе к центру плотность заряда поменьше. По мере приближения к периферии плотность возрастает.

Вопрос 2. В чем, на ваш взгляд, причина неравномерности распределения плотности заряда в тяжелых ядрах?

Вопрос 3. Для получения информации о распределении заряда в нуклонах, вообще говоря, нет противопоказаний к использованию любых заряженных частиц в качестве зондов. Идеальным зондом в настоящее время считается электрон. Почему? Чем плохи пионы для этих целей?

Вопрос 4. Как, на ваш взгляд, узнали, что закон Кулона справедлив на расстояниях вплоть до 10-18м?

Опыты по рассеянию дают возможность изучить не только распределение электрического заряда внутри частиц, но и распределение электрического тока. Как оказалось, распределения токов в большой мере повторяют распределение зарядов.

Любопытный факт состоит в том, что электрический заряд имеется и внутри нейтрона. Распределение его подобно распределению заряда в протоне. Однако плотность заряда гораздо меньше, чем плотность заряда в протоне. Электрические свойства нейтрона определяются главным образом распределением токов.

Задача 2. Исследования распределения заряда внутри ядер показали, что толщина поверхностного переходного слоя ядра равна примерно 2,4 фм. Средний радиус связан с массовым числом A соотношением b=1,18×A1/3-0,48 фм. Объясните, почему радиус ядра пропорционален A1/3.

Эксперименты с высокоэнергичными электронами показали, что внутри протона существуют точечные заряженные частицы с зарядами и . Эти частицы были предсказаны ранее и их назвали кварками. Спин кварка равен 1/2, то есть кварки являются фермионами. В модели кварков протон состоит из трех кварков , и . Все барионы состоят не менее чем из трех кварков, а мезоны из двух. Современная физика высоких энергий предсказывает, что принципиально нельзя получить свободные кварки. Они существуют только в связанных состояниях внутри адронов.