عامل الجاذبية (في الفيزياء)

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 12 صور
الموسوعة الحرة

عامل g (أو قيمة g ) هو كمية لا بُعدية تُحدد العزم المغناطيسي والزخم الزاوي لذرة كاملة، أو جسيم، أو نواة . وهو نسبة العزم المغناطيسي (أو النسبة المغناطيسية الدورانية ) لجسيم ما إلى العزم المتوقع لجسيم كلاسيكي له نفس الشحنة والزخم الزاوي. في الفيزياء النووية، يحل المغنيتون النووي محل العزم المغناطيسي (أو النسبة المغناطيسية الدورانية) المتوقع كلاسيكيًا في التعريف. ويتطابق التعريفان بالنسبة للبروتون.

نظراً لإمكانية قياس عامل g بدقة عالية، وكذلك حسابه بدقة عالية من النماذج النظرية، فإن الاختلافات الصغيرة في عوامل g المقاسة والمتوقعة للجسيمات تُستخدم كاختبارات للنظريات في فيزياء الجسيمات ، وخاصة النموذج القياسي . [ 1 ]

تعريف

جسيم ديراك

يتم إعطاء العزم المغناطيسي الدوراني لجسيم مشحون ذو دوران 1 / 2 والذي لا يمتلك أي بنية داخلية (جسيم ديراك) بواسطة [ 2 ]μ = ز هـ 2 م  S ،{\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}\ =\ g\ {\frac {e}{\ 2\ m\ }}\ \mathbf {S} \ ,} حيث μ هو العزم المغناطيسي الدوراني للجسيم، و g هو عامل g للجسيم، و e هي الشحنة الأولية ، و m هي كتلة الجسيم، و S هو الزخم الزاوي الدوراني للجسيم (بمقدار ⁠ ħ / 2 ⁠ لجسيمات ديراك).

الباريون أو النواة

للبروتونات والنيوترونات والنوى وغيرها من الجسيمات الباريونية المركبة عزوم مغناطيسية ناتجة عن دورانها (قد يكون كل من الدوران والعزم المغناطيسي صفرًا، وفي هذه الحالة يكون عامل g غير مُعرَّف). اصطلاحًا، تُعرَّف عوامل g المرتبطة باستخدام المغنيتون النووي ، وبالتالي ضمنيًا باستخدام كتلة البروتون بدلًا من كتلة الجسيم كما هو الحال بالنسبة لجسيم ديراك. الصيغة المستخدمة وفقًا لهذا الاصطلاح هي μ = ز μشمالℏ  أنا = ز هـ 2 مص  أنا ،{\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}\ =\ g\ {\frac {\mu _{\mathsf {N}}}{\hbar \ }}\ \mathbf {I} \ =\ g\ {\frac {e}{\ 2\ m_{\mathsf {p}}\ }}\ \mathbf {I} \ ,} حيث μ هو العزم المغناطيسي للنيوكليون أو النواة الناتج عن دورانها، و g هو عامل g الفعال ، و I هو الزخم الزاوي الدوراني، و μ N هو المغنيتون النووي، و e هي الشحنة الأولية، و m p هي كتلة سكون البروتون.

حساب

عوامل الإلكترون g

توجد ثلاثة عزوم مغناطيسية مرتبطة بالإلكترون : عزم ناتج عن زخمه الزاوي المغزلي ، وعزم ناتج عن زخمه الزاوي المداري ، وعزم ناتج عن زخمه الزاوي الكلي (المجموع الكمي لهذين المركبين). ويقابل هذه العزوم الثلاثة ثلاثة عوامل g مختلفة.

عامل دوران الإلكترون g

يُعرَّف عامل دوران الإلكترون g ، g e ، بواسطة μs = زهـ μب ℏ S ،{\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}_{\mathsf {s}}\ =\ g_{\mathsf {e}}{\frac {\ \mu _{\mathsf {B}}\ }{\hbar }}\ \mathbf {S} \ ,} حيث μ s هو العزم المغناطيسي الناتج عن دوران الإلكترون، و S هو الزخم الزاوي الدوراني، و μ B = ⁠ e ħ / 2 m e ⁠ هو مغنيتون بور .

قيمة g e تساوي تقريبًا -2. والسبب في عدم كونها -2 بالضبط يُفسر بحسابات الديناميكا الكهربائية الكمومية لعزم ثنائي القطب المغناطيسي الشاذ . [ 3 ] القيمة المقاسة،−2.002 319 304 360 92 (36) ‍ [4 ] معروفة بدقة استثنائية – جزء واحد من 1013. [ 5 ]​

عوامل جي الإلكترونية الموجبة

في الفيزياء الذرية، غالبًا ما يتم تعريف عامل الدوران الإلكتروني g بإشارة موجبة ويتم تضمين الإشارة السالبة في العلاقة بين عامل g والمكون z للعزم المغناطيسي: [ 6 ]μz=-زs μب مs ،{\displaystyle \mu _{\mathsf {z}}=-g_{\mathsf {s}}\ \mu _{\mathsf {B}}\ m_{\mathsf {s}}\ ,} أين ℏ مs {\displaystyle \ \hbar \ m_{\mathsf {s}}\ }تمثل القيم الذاتية للمؤثر S z ، مما يعني أن m s يمكن أن تأخذ القيم ± 1 / 2. [ 7 ] يُثير هذا الاصطلاح إشكاليات في الحالات المعقدة ، ولم يعتمده معيار CODATA . [ 6 ]

عامل جي المدار الإلكتروني

ثانيًا، يُعرَّف عامل g المداري الإلكتروني g L بواسطةμل=-زل  μب ℏ ل ،{\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}_{L}=-g_{L}\ {\frac {\ \mu _{\mathsf {B}}\ }{\hbar }}\ \mathbf {L} \ ,} حيث μL هو العزم المغناطيسي الناتج عن الزخم الزاوي المداري للإلكترون، و L هو زخمه الزاوي المداري، و μB هو مغنيتون بور . بالنسبة لنواة ذات كتلة لانهائية ، تكون قيمة gL مساوية تمامًا للواحد، وذلك استنادًا إلى حجة ميكانيكية كمية مماثلة لاشتقاق النسبة المغناطيسية الدورانية الكلاسيكية . بالنسبة للإلكترون في مدار ذي عدد كمي مغناطيسي mℓ ، فإن المركبة z للعزم المغناطيسي المداري هي μz=-زل μب مℓ ؛\displaystyle \mu _{z}=-g_{L}\ \mu _{\text{B}}\ m_{\ell }\ ;} بما أن g L = 1، فإن النتيجة هي − μ B m ℓ .

بالنسبة لنواة ذات كتلة محدودة، توجد قيمة فعالة لـ g [ 8 ]زل=1-1 م  ،{\displaystyle g_{L}=1-{\frac {1}{\ M\ }}\ ,} حيث M هي نسبة الكتلة النووية إلى كتلة الإلكترون.

الزخم الزاوي الكلي (لاندي) عامل g

ثالثًا، يُعرَّف عامل لاندي g J بواسطة|μج|=زجμبℏ|ج|،{\displaystyle |{\boldsymbol {\mu }}_{J}|=g_{J}{\frac {\mu _{\text{B}}}{\hbar }}|\mathbf {J} |,} حيث μJ هو العزم المغناطيسي الكلي الناتج عن كلٍ من الزخم الزاوي الدوراني والمداري للإلكترون، و J = L + S هو زخمه الزاوي الكلي، و μB هو مغنيتون بور . ترتبط قيمة gJ بـ gL و gs من خلال حجة ميكانيكية كمية؛ انظر مقالة عامل لاندي g . لا يقع متجهي μJ و J على خط مستقيم واحد، لذا لا يمكن مقارنة سوى مقاديرهما.

عامل جي موون

إذا تحققت نظرية التناظر الفائق في الطبيعة، فستطرأ تصحيحات على قيمة g⁻² للميون نتيجةً لمخططات الحلقات التي تتضمن الجسيمات الجديدة. ومن أبرز هذه التصحيحات ما هو موضح هنا: حلقة النيوترالينو وحلقة الميون ، وحلقة الشارجينو وحلقة نيوترينو الميون . يمثل هذا مثالًا على فيزياء "ما وراء النموذج القياسي" التي قد تُسهم في قيمة g⁻² .

يمتلك الميون ، مثل الإلكترون، عامل g مرتبطًا بدورانه، ويُعطى بالمعادلة μ=ز هـ 2 مμ  S ،{\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}=g\ {\frac {e}{\ 2\ m_{\mu }\ }}\ \mathbf {S} \ ,} حيث μ هو العزم المغناطيسي الناتج عن دوران الميون، و S هو الزخم الزاوي الدوراني، و m μ هي كتلة الميون.

إن اختلاف معامل g للميون عن معامل g للإلكترون يُعزى في معظمه إلى الديناميكا الكهربائية الكمومية وحسابها لعزم ثنائي القطب المغناطيسي الشاذ. ويعود معظم الفرق الطفيف بين القيمتين (99.96%) إلى نقصٍ واضح في مخططات الجسيمات الثقيلة التي تُسهم في احتمالية انبعاث فوتون يُمثل مجال ثنائي القطب المغناطيسي، وهي مخططات موجودة للميونات، ولكنها غير موجودة للإلكترونات، في نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية . وينتج هذا الاختلاف كليًا عن فرق الكتلة بين الجسيمات.

مع ذلك، لا يُفسر النموذج القياسي كل الاختلاف بين معاملات g للإلكترونات والميونات تفسيرًا كاملًا . من الناحية النظرية، يمكن أن يتأثر معامل g للميونات بظواهر فيزيائية تتجاوز النموذج القياسي ، لذا فقد تم قياسه بدقة متناهية، لا سيما في مختبر بروكهافن الوطني . في التقرير النهائي لفريق E821 في نوفمبر 2006، كانت القيمة المقاسة تجريبيًا هي −2.002 331 8416 (13) ، مقارنةً بالتنبؤ النظري لـ−2.002 331 836 20 (86) . [ 9 ] يُمثل هذا فرقًا قدره 3.4 انحرافات معيارية ، مما يُشير إلى أن فيزياء ما وراء النموذج القياسي قد تكون عاملًا مُساهمًا. نُقلت حلقة تخزين الميونات من مختبر بروكهافن إلى مختبر فيرميلاب، حيث استُخدمت في تجربة Muon g –2 لإجراء قياسات أكثر دقة لعامل g للميونات . في 7 أبريل 2021، قدم فريق فيرميلاب التعاوني لتجربة Muon g −2 ونشر قياسًا جديدًا للشذوذ المغناطيسي للميونات. [ 10 ] عند دمج قياسات بروكهافن وفيرميلاب، يختلف المتوسط ​​العالمي الجديد عن التنبؤ النظري بمقدار 4.2 انحرافات معيارية.

اصطلاحات الإشارات

تمثل عوامل g عادةً علاقة خطية بين العزم المغناطيسي والزخم الزاوي. في فيزياء الجسيمات والرنين المغناطيسي النووي ، يشير عامل g الموجب إلى أن العزم المغناطيسي والزخم الزاوي متوازيان، بينما يشير عامل g السالب إلى أنهما متعاكسان. مع ذلك، في رنين دوران الإلكترون، تُعطى قيمة موجبة للاتجاه المتعاكس. يُعدّ اصطلاح الإشارة مهمًا في الحالات التي تتواجد فيها عزوم متعددة في مسألة واحدة، كما هو الحال في دراسات تأثير زيمان عالية الدقة للجزيئات. وقد اعتمدت منظمة CODATA المعيارية اصطلاح الإشارة السالبة للدلالة على التوازي المتعاكس. [ 6 ]

قيم عامل g الموصى بها من قبل CODATA [ 11 ]
جسيمرمزعامل جيعدم اليقين المعياري النسبي
إلكترونجي إي−2.002 319 304 360 92 (36)1.8 × 10 −13 ‍ [4 ]
موونg μ−2.002 331 841 23 (82)4.1 × 10 −10 ‍ [12 ]
بروتونجي بي+5.585 694 6893 (16)2.9 × 10 −10 ‍ [13 ]
النيوترونg n−3.826 085 52 (90)2.4 × 10 −7 ‍ [14 ]

يُعد عامل g للإلكترون أحد أكثر القيم التي تم قياسها بدقة في الفيزياء. [ 5 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ غوينر، جيرالد؛ سيلوال، روشاني (يونيو 2022). "اختلافات نظائرية دقيقة تختبر النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات" . مجلة نيتشر . 606 (7914): 467-468 . Bibcode : 2022Natur.606..467G . doi : 10.1038/d41586-022-01569-3 . PMID: 35705815. S2CID : 249710367 .  
  2. ^ بوف، بوجدان. ريث، كلاوس. شولز، كريستوف. زيتشه ، فرانك (17 أبريل 2013). الجسيمات والنوى . سبرينغر. ص. 74. ردمك  978-3-662-05023-1– عبر جوجل.
  3. ↑ برودسكي، س.؛ فرانك، ف.؛ هيلر، ج.؛ مكارتور، ج.؛ باستون، س.؛ بروخفاتيلوف، إ. (2004). "حساب غير اضطرابي للعزم المغناطيسي للإلكترون". الفيزياء النووية ب . 703 ( 1-2 ): 333-362 . arXiv : hep-ph/0406325 . Bibcode : 2004NuPhB.703..333B . doi : 10.1016/j.nuclphysb.2004.10.027 . S2CID 118978489 . 
  4. 1 2 "قيمة CODATA لعام 2022: عامل g للإلكترون" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . مايو 2024. تم الاطلاع عليه في 18 مايو 2024 .
  5. 1 2 فان، إكس؛ مايرز، تي جي؛ سوكرا، بي إيه دي؛ غابرييلس، جي. (13 فبراير 2023). "قياس العزم المغناطيسي للإلكترون" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 130 (7) 071801. arXiv : 2209.13084 . Bibcode : 2023PhRvL.130g1801F . doi : 10.1103/PhysRevLett.130.071801 . PMID 36867820 – عبر aps.org. 
  6. براون ، جيه إم ؛ بوينكر، آر جيه؛ كارينغتون، إيه؛ دي لاورو، سي؛ ديكسون، آر إن؛ فيلد، آر دبليو؛ هوجن، جيه تي؛ هوتنر، دبليو؛ كوتشيتسو، كيه؛ ميرينغ، إم؛ ميرر، إيه جيه؛ ميلر، تي إيه؛ كواك، إم؛ رامزي، دي إيه؛ فيسيث، إل. (20 أكتوبر 2000). "ملاحظات حول إشارات عوامل g في مطيافية زيمان الذرية والجزيئية" . الفيزياء الجزيئية . 98 (20): 1597-1601 . doi : 10.1080/00268970009483366 . ISSN 0026-8976 . 
  7. ↑ غريفيث، ديفيد جيه؛ شروتر، داريل إف. (2018). مقدمة في ميكانيكا الكم ( الطبعة الثالثة). كامبريدج، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN  978-1-107-18963-8.
  8. ↑ لامب، ويليس إي. (15 يناير 1952). "البنية الدقيقة لذرة الهيدروجين. الجزء الثالث". مجلة Physical Review . 85 (2): 259-276 . Bibcode : 1952PhRv...85..259L . doi : 10.1103/PhysRev.85.259 . PMID 17775407 .  
  9. ↑ هاجيوارا، ك.؛ مارتن، أ.د.؛ نومورا، دايسوكي؛ توبنر، ت. (2007). "تنبؤات محسّنة لـ g −2 للميون و α QED ( M 2 Z ) ". رسائل الفيزياء ب . 649 ( 2–3 ): 173–179 . arXiv : hep-ph/0611102 . Bibcode : 2007PhLB..649..173H . doi : 10.1016/j.physletb.2007.04.012 . S2CID 118565052 . 
  10. ↑ أبي، ب.؛ وآخرون ( مجموعة Muon g −2 ) (7 أبريل 2021). "قياس العزم المغناطيسي الشاذ للميون الموجب حتى 0.46 جزء في المليون ". مجلة Physical Review Letters . 126 (14) 141801. arXiv : 2104.03281 . Bibcode : 2021PhRvL.126n1801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.126.141801 . ISSN 0031-9007 . PMID 33891447. S2CID 233169085 .    
  11. ↑ "الثوابت" (ملف PDF) . توصيات CODATA (معيار البيانات). مرجع NIST للثوابت والوحدات وعدم اليقين. المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا . 2006 - عبر physics.nist.gov.
  12. ↑ "قيمة CODATA لعام 2022: عامل muon g" . مرجع NIST للثوابت والوحدات وعدم اليقين . NIST . مايو 2024. تم الاطلاع عليه في 18 مايو 2024 .
  13. ↑ "قيمة CODATA لعام 2022: عامل g للبروتون" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . مايو 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 مايو 2024 .
  14. ↑ "قيمة CODATA لعام 2022: عامل g للنيوترون" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) للثوابت والوحدات وعدم اليقين . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . مايو 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 مايو 2024 .
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزوسائط متعلقة بعامل الجاذبية (الفيزياء) على ويكيميديا ​​كومنز