¿Qué forma tiene un núcleo de deuterio?

Question

¿Cuál es la forma de un deuterio ¿núcleo?

Se me ocurren dos extremos obvios.

Un extremo positivo del protón que se cruza con un extremo neutro del neutrón.

O un cilindro con casquetes esféricos en los extremos que es positivo en un extremo y neutro en el otro.

Answer 1

Dado que el post pregunta por la forma del deuterón, esta respuesta se basa en una imagen, más que en una descripción física.

Deuterio Physics Central

Dominada por tres componentes que describen las interacciones de los componentes quark del neutrón y el protón, su forma no es esférica. Pruebas recientes han demostrado que no hay desviaciones en las predicciones de la física nuclear estándar.

En Laboratorio Jefferson Deuterio

La estructura del deuterón, núcleo del átomo de deuterio, es de capital importancia para los físicos nucleares. El deuterón es un estado ligado de un protón y un neutrón, y es el núcleo más utilizado en las mediciones de la estructura de los neutrones. Los estudios del deuterón han ayudado a determinar el papel de los grados de libertad no nucleónicos en los núcleos y las correcciones de la relatividad. Una serie reciente de medidas del Jefferson Lab se ha centrado en el papel de los quarks en la estructura del deuterón. A alta energía y transferencia de alto momento, el deuterón se sondea a una escala de longitud menor que el tamaño del nucleón y a una escala de energía en la que la imagen física se simplifica, al considerar los quarks en lugar de las numerosas resonancias de bariones. Las mediciones de las secciones transversales de reacción confirman el comportamiento de escala aproximado que se espera de la estructura de quarks subyacente, mientras que las mediciones de polarización muestran un comportamiento simple que concuerda aproximadamente con algunos cálculos basados en quarks.

En Deuterón en Wikipedia

El deuterón tiene espín +1 ("triplete") y es, por tanto, un bosón. La frecuencia de RMN del deuterio es muy diferente de la del hidrógeno ligero común. La espectroscopia infrarroja también diferencia fácilmente muchos compuestos deuterados, debido a la gran diferencia en la frecuencia de absorción IR observada en la vibración de un enlace químico que contiene deuterio, frente al hidrógeno ligero. Los dos isótopos estables del hidrógeno también pueden distinguirse utilizando la espectrometría de masas.

El nucleón deuterón triplete apenas está ligado a EB = 2,23 MeV, por lo que todos los estados de mayor energía no están ligados. El deuterón singlete es un estado virtual, con una energía de enlace negativa de ~60 keV. No existe tal partícula estable, pero esta partícula virtual existe transitoriamente durante la dispersión inelástica neutrón-protón, lo que explica la sección transversal de dispersión neutrónica del protón, inusualmente grande.

Answer 2

Este es un comentario extendido sobre la respuesta de count_to_10, por favor upvote esa respuesta no esta.

Resulta tentador pensar que, como el núcleo de deuterio está formado por dos partículas diferentes, una positiva y otra neutra, debe ser necesariamente asimétrico. Sin embargo, un átomo de hidrógeno también está formado por dos partículas diferentes, una positiva y otra negativa, y es esféricamente simétrico. La razón de la simetría esférica del átomo de hidrógeno es que tanto el protón como el electón están deslocalizados.

El mismo argumento se aplica al núcleo de deuterio, salvo que la fuerza nuclear fuerte no es una fuerza central, sino que depende de la orientación, por lo que no debemos esperar una simetría esférica. No habrá un extremo del núcleo que sea el protón y otro extremo que sea el neutrón porque ambas partículas están deslocalizadas. De hecho, como describe count_to_10, el núcleo de deuterio es axialmente simétrico y centrosimétrico. Esto significa que los dos termina son idénticos - no hay un extremo neutrón y un extremo protón.

Answer 3

El deuterón tiene un radio de carga r.m.s. $r=2.14$ fm y un momento cuadrupolar eléctrico estático $Q_0=0.2859\ e\cdot\text{fm}^2$ . Esto está relacionado con el parámetro de deformación nuclear $\beta$ que describe las deformaciones prolatas aproximadamente elipsoidales, por

$$\beta \approx 0.080\frac{Q_0}{e\cdot r^2} \approx 0.050.$$

La forma nuclear, en esta parametrización, viene definida por la superficie

$$\frac{R}{R_0} = 1+\beta Y_{20}(\theta),$$

que da para la relación entre el eje largo y el eje corto

$$\frac{\text{long}}{\text{short}} \approx 1+\frac{3}{4}\sqrt{\frac{5}{\pi}}\beta \approx 1.047.$$

Así pues, el deuterón es casi esférico y su eje largo es aproximadamente un 5% más largo que su eje corto.

Esto se debe a que el componente dominante de la función de onda nuclear es uno en el que el neutrón y el protón tienen cada uno momento angular orbital 0 (y espín intrínseco total 1), mientras que hay una pequeña mezcla de un estado con momento angular orbital 1 (y espín intrínseco 0).