stringtranslate.com

Экзотический атом

Экзотический атом — это в остальном нормальный атом , в котором одна или несколько субатомных частиц были заменены другими частицами с тем же зарядом . Например, электроны могут быть заменены другими отрицательно заряженными частицами, такими как мюоны (мюонные атомы) или пионы (пионные атомы). [1] [2] Поскольку эти замещающие частицы обычно нестабильны, экзотические атомы, как правило, имеют очень короткое время жизни, и ни один из экзотических атомов, наблюдавшихся до сих пор, не может сохраняться в нормальных условиях.

Мюонные атомы

Водород 4.1 фотография
Мюонный гелий, состоящий из 2 протонов, 2 нейтронов, 1 мюона и 1 электрона.

В мюонном атоме (ранее называвшемся мю-мезическим атомом, теперь известно, что это неправильное название, поскольку мюоны не являются мезонами ) [3] электрон заменен мюоном, который, как и электрон, является лептоном . Поскольку лептоны чувствительны только к слабым , электромагнитным и гравитационным силам, мюонные атомы с очень высокой точностью управляются электромагнитным взаимодействием.

Поскольку мюон массивнее электрона, орбиты Бора в мюонном атоме расположены ближе к ядру, чем в обычном атоме, и поправки, обусловленные квантовой электродинамикой, более важны. Поэтому изучение уровней энергии мюонных атомов , а также скоростей переходов из возбужденных состояний в основное состояние обеспечивает экспериментальные проверки квантовой электродинамики.

Мюонный катализируемый синтез — это техническое применение мюонных атомов.

Другие мюонные атомы могут быть образованы, когда отрицательные мюоны взаимодействуют с обычной материей. [4] Мюон в мюонных атомах может либо распадаться, либо захватываться протоном. Захват мюона очень важен в более тяжелых мюонных атомах, таким образом сокращая время жизни мюона с 2,2 мкс до всего лишь 0,08 мкс. [4]

Мюонный водород

Мюонный водород похож на обычный водород, в котором электрон заменен отрицательным мюоном — то есть протоном, вращающимся вокруг мюона. Это важно для решения загадки радиуса протона .

Мюонный гелий (Водород-4.1)

Символ 4.1 H (водород-4.1) использовался для описания экзотического атома мюонного гелия ( 4 He-μ), который похож на гелий-4 тем, что имеет два протона и два нейтрона . [5] Однако один из его электронов заменен мюоном , который также имеет заряд –1. Поскольку радиус орбиты мюона меньше ⁠1/200-й⁠ орбитальный радиус электрона (из-за соотношения масс), мюон можно рассматривать как часть ядра. Тогда атом имеет ядро ​​с двумя протонами, двумя нейтронами и одним мюоном, с общим зарядом ядра +1 (от двух протонов и одного мюона) и только один электрон снаружи, так что он фактически является изотопом водорода вместо изотопа гелия. Вес мюона составляет приблизительно 0,1 Да , поэтому изотопная масса составляет 4,1. Поскольку снаружи ядра находится только один электрон, атом водорода-4,1 может реагировать с другими атомами. Его химическое поведение больше похоже на поведение атома водорода, чем инертного атома гелия. [5] [6] [7]

Атомы адронов

Адронный атом — это атом, в котором один или несколько орбитальных электронов заменены отрицательно заряженным адроном . [8] Возможные адроны включают мезоны, такие как пион или каон , дающие пионный атом [9] или каонный атом (см. Каонный водород ), вместе называемые мезонными атомами ; антипротоны , дающие антипротонный атом ; иΣ−частица, дающая
Σ−
или сигмаонический атом . [10] [11] [12]

В отличие от лептонов, адроны могут взаимодействовать посредством сильного взаимодействия , поэтому орбитали адронных атомов находятся под влиянием ядерных сил между ядром и адроном. Поскольку сильное взаимодействие является взаимодействием на коротких расстояниях, эти эффекты наиболее сильны, если вовлеченная атомная орбиталь находится близко к ядру, когда вовлеченные энергетические уровни могут расширяться или исчезать из-за поглощения адрона ядром. [2] [11] Адронные атомы, такие как пионный водород и каонный водород , таким образом, обеспечивают экспериментальные зонды теории сильных взаимодействий, квантовой хромодинамики . [13]

Ониевый

Оний (множественное число: onia ) — это связанное состояние частицы и ее античастицы. Классический оний — это позитроний , который состоит из электрона и позитрона, связанных вместе в метастабильном состоянии, с относительно долгим временем жизни 142 нс в триплетном состоянии. [14] Позитроний изучался с 1950-х годов для понимания связанных состояний в квантовой теории поля. Недавняя разработка, называемая нерелятивистской квантовой электродинамикой (NRQED), использовала эту систему в качестве испытательного полигона.

Пионий , связанное состояние двух противоположно заряженных пионов , полезен для изучения сильного взаимодействия . Это также должно быть верно для протония , который является связанным состоянием протона-антипротона. Понимание связанных состояний пиония и протония важно для прояснения понятий, связанных с экзотическими адронами, такими как мезонные молекулы и состояния пентакварка . Каоний , который является связанным состоянием двух противоположно заряженных каонов, пока не наблюдался экспериментально.

Однако истинными аналогами позитрония в теории сильных взаимодействий являются не экзотические атомы, а определенные мезоны , состояния кваркония , которые состоят из тяжелого кварка, такого как очарованный или нижний кварк , и его антикварка. ( Верхние кварки настолько тяжелы, что они распадаются под действием слабого взаимодействия, прежде чем смогут образовать связанные состояния.) Исследование этих состояний с помощью нерелятивистской квантовой хромодинамики (NRQCD) и решеточной КХД становится все более важным тестом квантовой хромодинамики .

Мюоний , несмотря на свое название, не является ониевым состоянием, содержащим мюон и антимюон, поскольку ИЮПАК присвоил это название системе антимюона, связанного с электроном. Однако было высказано теоретизирование о создании связанного состояния мюон-антимюон, которое является онием (называемым истинным мюонием ). [15] То же самое относится к экзотическому атому QED дитауония (или «истинного тауония») . [16]

Гиперядерные атомы

Атомы могут состоять из электронов, вращающихся вокруг гиперядра , включающего странные частицы, называемые гиперонами . Такие гиперядерные атомы обычно изучаются на предмет их ядерного поведения, попадая в область ядерной физики, а не атомной физики .

Квазичастичные атомы

В конденсированных системах, в частности в некоторых полупроводниках , существуют состояния, называемые экситонами , которые представляют собой связанные состояния электрона и электронной дырки .

Экзотические молекулы

Экзотическая молекула содержит один или несколько экзотических атомов.

«Экзотическая молекула» может также относиться к молекуле, имеющей некоторые другие необычные свойства, такие как пирамидальная гексаметилбензольная структура и атом Ридберга .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ §1.8, Составляющие материи: атомы, молекулы, ядра и частицы , Людвиг Бергманн, Клеменс Шефер и Вильгельм Райт, Берлин: Вальтер де Грюйтер, 1997, ISBN  3-11-013990-1 .
  2. ^ ab Hartmann, Joachim (январь 2000 г.). "Экзотические атомы". AccessScience . McGraw-Hill. doi :10.1036/1097-8542.YB000560. Архивировано из оригинала 22-12-2007 . Получено 26 сентября 2007 г.
  3. ^ "Ричард Фейнман - Научные видео". Vega Science Trust .
  4. ^ ab Devons, S.; Duerdoth, I. (1969). "Мюонные атомы". В Baranger, M.; Vogt, E. (ред.). Достижения в ядерной физике . Springer. стр. 295–423. doi :10.1007/978-1-4684-8343-7_5. ISBN 978-1-4684-8345-1.
  5. ^ ab Fleming, DG; Arseneau, DJ; Sukhorukov, O.; Brewer, JH; Mielke, SL; Schatz, GC; Garrett, BC; Peterson, KA; Truhlar, DG (28 января 2011 г.). "Кинетические изотопные эффекты для реакций мюонного гелия и мюония с H 2 ". Science . 331 (6016): 448–450. Bibcode :2011Sci...331..448F. doi :10.1126/science.1199421. PMID  21273484. S2CID  206530683.
  6. ^ Монкада, Ф.; Круз, Д.; Рейес, А. (2012). «Мюонная алхимия: Преобразование элементов с включением отрицательных мюонов». Chemical Physics Letters . 539 : 209–221. Bibcode : 2012CPL...539..209M. doi : 10.1016/j.cplett.2012.04.062.
  7. ^ Монкада, Ф.; Круз, Д.; Рейес, А. (10 мая 2013 г.). «Электронные свойства атомов и молекул, содержащих один и два отрицательных мюона». Chemical Physics Letters . 570 : 16–21. Bibcode : 2013CPL...570...16M. doi : 10.1016/j.cplett.2013.03.004.
  8. ^ Deloff, A. (2003). Основы теории адронного атома . River Edge, Нью-Джерси: World Scientific. стр. 3. ISBN 981-238-371-9.
  9. ^ Хори, М.; Агай-Хозани, Х.; Сотер, А.; Дакс, А.; Барна, Д. (6 мая 2020 г.). «Лазерная спектроскопия пионных атомов гелия». Природа . 581 (7806): 37–41. Бибкод : 2020Natur.581...37H. дои : 10.1038/s41586-020-2240-x. PMID  32376962. S2CID  218527999.
  10. ^ стр. 8, §16.4, §16.5, Делофф.
  11. ^ ab Странный мир экзотического атома, Роджер Барретт, Дафна Джексон и Хабатва Мвине, New Scientist , 4 августа 1990 г. accessdate=26 сентября 2007 г.
  12. ↑ стр. 180, Квантовая механика , Б. К. Агарвал и Хари Пракаш, Нью-Дели: Prentice-Hall of India Private Ltd., 1997. ISBN 81-203-1007-1 . 
  13. ^ Экзотические атомы проливают свет на фундаментальные вопросы, CERN Courier , 1 ноября 2006 г. accessdate=26 сентября 2007 г.
  14. ^ Adkins, GS; Fell, RN; Sapirstein, J. (29 мая 2000 г.). «Поправки порядка α 2 к скорости распада ортопозитрония». Physical Review Letters . 84 (22): 5086–5089. arXiv : hep-ph/0003028 . Bibcode : 2000PhRvL..84.5086A. doi : 10.1103/PhysRevLett.84.5086. PMID  10990873. S2CID  1165868.
  15. ^ DOE/SLAC National Accelerator Laboratory (4 июня 2009 г.). «Теоретики раскрывают путь к истинному мюонию – никогда не виданному атому». ScienceDaily . Получено 7 июня 2009 г.
  16. ^ d'Enterria, David; Perez-Ramos, Redamy; Shao, Hua-Sheng (2022). "Спектроскопия дитауония". European Physical Journal C. 82 ( 10): 923. arXiv : 2204.07269 . Bibcode : 2022EPJC...82..923D. doi : 10.1140/epjc/s10052-022-10831-x. S2CID  248218441.