Магнитный момент протона

редактировать

Магнитный момент протона - это магнитный дипольный момент элемента протон, символ μ p. Протоны и нейтроны, оба нуклона, составляют ядро ​​ атома , и оба нуклона действуют как маленькие магниты сила которых измеряется их магнитными моментами. Величина магнитного момента протона указывает на то, что протон не является элементарной частицей.

Содержание

  • 1 Описание
  • 2 Измерение
  • 3 G-фактор протона и гиромагнитное отношение
  • 4 Физическое значение
  • 5 Магнитный момент, кварки и Стандартная модель
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Библиография

Описание

CODATA Рекомендуемое значение магнитного момента протон представляет собой μ p = 2,7928473508 (85) μ N. С тех пор было заявлено о более точном измерении с результатом μ p = 2,79284734462 (82) μ N для 11-кратного повышения точности. В этих значениях μ N - это ядерный магнетон, физическая постоянная и стандартная единица для магнитных моментов ядерных компонентов. В единицах СИ значение CODATA для μ p составляет 1,4106067873 (97) × 10 JT (1,5210322053 (46) × 10 μB ). Магнитный момент - это векторная величина, а направление магнитного момента протона определяется его спином. крутящий момент на протоне, возникающий из-за внешнего магнитного поля, направлен на выравнивание вектора спина протона в том же направлении, что и вектор магнитного поля.

Ядерный магнетон - это спиновый магнитный момент частицы Дирака, заряженной элементарной частицы со спином 1/2, с массой протона m p. В единицах СИ ядерный магнетон равен

μ N = e ℏ 2 mp {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {N}} = {{e \ hbar} \ over {2m _ {\ mathrm {p}}} }}\ mu _ {{\ mathrm {N}}} = {{e \ hbar} \ over {2m_ { {\ mathrm {p}}}}}

где e - элементарный заряд, а ħ - приведенная постоянная Планка. Магнитный момент этой частицы параллелен ее спину. Поскольку протон имеет заряд +1 э, по этому выражению он должен иметь магнитный момент, равный 1 μ N. Больший магнитный момент протона указывает на то, что это не элементарная частица. Знак магнитного момента протона - положительно заряженная частица. Точно так же тот факт, что магнитный момент нейтрона, μ n = −1,913 μ N, конечен и отрицателен, указывает на то, что он тоже не элементарный частица. Протоны и нейтроны состоят из кварков, и магнитные моменты кварков можно использовать для вычисления магнитных моментов нуклонов.

Магнитный момент антипротона такой же величины, но имеет противоположный знак, что и у протона.

Измерение

Аномально большой магнитный момент протона был обнаружен в 1933 году Отто Штерном в Гамбурге. Стерн получил Нобелевскую премию в 1943 году за это открытие.

К 1934 году группы под руководством Стерна, теперь в Питтсбурге, и I. И. Раби в Нью-Йорк независимо измерил магнитные моменты протона и дейтрона. В то время как измеренные значения для этих частиц были только в приблизительном соответствии между группами, группа Раби подтвердила более ранние измерения Штерна, согласно которым магнитный момент для протона был неожиданно большим. Поскольку дейтрон состоит из протона и нейтрона с выровненными спинами, магнитный момент нейтрона может быть вычислен путем вычитания магнитных моментов дейтрона и протона. Полученное значение отличалось от нуля и имело знак, противоположный знаку протона. К концу 1930-х точные значения магнитного момента протона были измерены группой Раби с использованием недавно разработанных методов ядерного магнитного резонанса. Большое значение магнитного момента протона и предполагаемое отрицательное значение магнитного момента нейтрона были неожиданными и вызвали много вопросов. Аномальные значения магнитных моментов нуклонов оставались загадкой до тех пор, пока в 1960-х годах не была разработана кварковая модель.

g-фактор протона и гиромагнитное отношение

Магнитный момент нуклона иногда выражается через его g-фактор, безразмерный скаляр. Стандартная формула:

μ = g μ N ℏ I {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ mu}} = {\ frac {g \ mu _ {\ mathrm {N}}} {\ hbar}} {\ boldsymbol {I}}}{\ boldsymbol {\ mu}} = {\ frac {g \ mu _ {{\ mathrm {N}}}} {\ hbar}} {\ boldsymbol {I}}

где μ - собственный магнитный момент нуклона, I - ядерный спин угловой момент, а g - эффективный g-фактор. Для протона величина компонента z I равна 1/2 ħ, поэтому g-фактор протона, символ g p, равен 5,585694713 (46). По определению мы возьмите компонент z в приведенном выше уравнении, потому что, когда поле взаимодействует с нуклоном, изменение энергии является скалярным произведением магнитного поля и магнитного момента.

гиромагнитное отношение, символ γ, частицы или системы - это отношение ее магнитного момента к ее спиновому угловому моменту, или

μ = γ I {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ mu}} = \ gamma {\ boldsymbol {I}}}{\ boldsymbol {\ mu}} = \ gamma {\ boldsymbol {I}}

Для нуклонов соотношение обычно записывается через массу и заряд протона следующим образом: формула

γ = g μ N ℏ = ge 2 mp {\ displaystyle \ gamma = {\ frac {g \ mu _ {\ mathrm {N}}} {\ hbar}} = g {\ frac {e} {2m_ {p}}}}\ gamma = {\ frac {g \ mu _ {{\ mathrm {N}}}} {\ hbar}} = g {\ frac {e} {2m_ {p}}}

Гиромагнитное отношение протона, обозначенное символом γ p, составляет 2,675222005 (63) × 10 рад⋅с⋅ T. Гиромагнитное отношение - это также отношение между наблюдаемой угловой частотой ларморовской прецессии (в рад / с) и силой магнитного поля в приложениях протонного ЯМР, например, в МРТ или протонный магнитометр. По этой причине значение γ p часто дается в единицах МГц / T. Поэтому удобна величина γ p / 2π («гамма-полоса»), которая имеет значение 42,5774806 (10) МГц⋅ T.

Физическое значение

Когда протон помещается в Магнитное поле, создаваемое внешним источником, на него действует крутящий момент, стремящийся ориентировать его магнитный момент параллельно полю (следовательно, его вращение также параллельно полю). Как и у любого магнита, величина этого крутящего момента пропорциональна как магнитному моменту, так и внешнему магнитному полю. Поскольку у протона есть спиновый угловой момент, этот крутящий момент вызовет прецессию протона с четко определенной частотой, называемой ларморовской частотой. Именно это явление позволяет измерять ядерные свойства посредством ядерного магнитного резонанса. Частота Лармора может быть определена как произведение гиромагнитного отношения на напряженность магнитного поля. Поскольку знак γ p положительный, угловой момент спина протона прецессирует по часовой стрелке вокруг направления внешнего магнитного поля.

Поскольку ядро ​​атома состоит из связанного состояния протонов и нейтронов, магнитные моменты нуклонов вносят вклад в ядерный магнитный момент, или магнитный момент для ядра в целом. Ядерный магнитный момент также включает вклады орбитального движения нуклонов. Дейтрон имеет простейший пример ядерного магнитного момента с измеренным значением 0,857 µ N. Это значение находится в пределах 3% от суммы моментов протона и нейтрона, что дает 0,879 µ N. В этом расчете спины нуклонов выровнены, но их магнитные моменты смещены из-за отрицательного магнитного момента нейтрона.

Магнитный момент, кварки и Стандартная модель

В рамках кварковой модели для адронов, таких как нейтрон, протон состоит из один нижний кварк (заряд −1/3 e) и два верхних кварка (заряд +2/3 e). Магнитный момент протона можно смоделировать как сумму магнитных моментов составляющих кварков, хотя эта простая модель противоречит сложности Стандартной модели из физики элементарных частиц.

в одном из первые успехи Стандартной модели (теория SU (6) ), в 1964 году Мирза А.Б. Бег, Бенджамин В. Ли и Абрахам Пайс теоретически рассчитали отношение магнитных моментов протона к нейтрону составляет −3/2, что с точностью до 3% согласуется с экспериментальным значением. Измеренное значение этого отношения составляет -1,45989806 (34). Противоречие квантово-механической основы этого расчета с принципом исключения Паули привело к открытию цветового заряда кварков Оскаром У. Гринберг в 1964 году.

Исходя из нерелятивистской, квантово-механической волновой функции для барионов, состоящих из трех кварков, простой расчет дает достаточно точные оценки магнитных моментов протонов, нейтронов и других барионов. Расчет предполагает, что кварки ведут себя как точечные дираковские частицы, каждая из которых имеет свой магнитный момент, что вычислено с использованием выражения, аналогичного приведенному выше для ядерного магнетона. Для протона конечным результатом этого расчета является то, что магнитный момент нейтрона определяется выражением μ p = 4/3 μ u - 1/3 μ d., где μ u и μ d - магнитные моменты для верхних и нижних кварков соответственно. Этот результат объединяет собственные магнитные моменты кварков с их орбитальными магнитными моментами.

БарионМагнитный момент. модели кваркаВычислено. (μ N {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {N}}}\ mu _ {{\ mathrm {N}}} )Наблюдаемое. (μ N {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {N}}}\ mu _ {{\ mathrm {N}}} )
p4/3 μ u - 1/3 μ d2,792,793
n4/3 μ d - 1/3 μ u-1,86-1,913

Хотя результаты этого расчета обнадеживают, Считалось, что массы верхних или нижних кварков равны 1/3 массы нуклона, тогда как массы этих кварков составляют всего около 1% массы нуклона. Расхождение происходит из-за сложности Стандартной модели для нуклонов, где большая часть их массы происходит от полей глюонов и виртуальных частиц, которые являются важными аспектами сильного взаимодействия. Кроме того, сложная система кварков и глюонов, составляющих нейтрон, требует релятивистского подхода.. Расчет магнитных моментов нуклонов на основе первых принципов пока недоступен.

См. Также

Список литературы

Библиография

Последняя правка сделана 2021-06-02 08:45:46
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте