Экзотический атом

Экзоти́ческий а́том — электромагнитно связанная атомоподобная квантовомеханическая система, в которой один (или несколько) из электронов заменён другой отрицательно заряженной частицей, либо роль ядра выполняет положительно заряженная частица.

Экзотические атомы являются короткоживущими вследствие как распада входящих в их состав частиц, так и их взаимодействия друг с другом.

При этом для экзотических атомов в ряде случаев удаётся зарегистрировать и изучить химические свойства.

Примеры

Некоторые из описанных здесь атомов получены экспериментально и изучены их свойства, например оптические спектры излучения, некоторые только предсказаны.

• Мюоний (система из положительно заряженного мюона и электрона, μ⁺e⁻).
• Нейтроний, «атом» без электронной оболочки с незаряженным ядром. Экспериментально был получен лишь один изотоп (см. свободный нейтрон).
  • Предполагается возможность существования изотопов с массовыми числами 2, 4 и 8 (динейтрон, тетранейтрон и октанейтрон соответственно).
• Позитроний (пара электрон-позитрон, e⁺e⁻).
  • Теоретически предсказан, но ещё не получен димюоний (пара μ⁺ и μ⁻)
• Мюонные атомы — атомы, в которых один или несколько электронов [math]\displaystyle{ e^- }[/math] в электронной оболочке заменены на отрицательно заряженные мюоны [math]\displaystyle{ \mu^- }[/math]

Пример мюонного атома. В электронной оболочке водорода-4,1 у ядра гелия находятся отрицательный мюон и электрон. Так как масса мюона примерно в 10 раз меньше массы нуклона, можно считать, что это тяжёлый изотоп водорода с массовым числом 4,1. Мюон находится вблизи ядра, поэтому электронная оболочка, на которой находится один электрон, схожа с электронной оболочкой атома водорода и имеет схожие свойства.

В мюонном атоме с одним мюоном (ранее назывался мезонным атомом, что некорректно, поскольку мюоны не являются мезонами) электрон заменен мюоном, который, как и электрон, является лептоном. Поскольку лептоны не принимают участие в сильных взаимодействиях а только в слабых, электромагнитных и гравитационных, мюон в мюонном атоме связан с ядром в основном силами электромагнитного взаимодействия. Так как мюон примерно в 200 раз тяжелее электрона, в мюонном атоме орбиты Бора расположены ближе к ядру, чем электроны в обычном атоме, и поправки в энергетические уровни мюонного атома, обусловленные квантовой электродинамикой, более существенны. Таким образом, изучение энергетических уровней мюонных атомов по их оптическим спектрам, а также времени жизни возбуждённых состояний обеспечивает экспериментальную проверку положений квантовой электродинамики.

Возможен термоядерный синтез с использованием мюонных атомов, например мюонного дейтерия, так называемый мюонный катализ, — это одно из применений мезонных атомов.

• Адронные атомы, в которых электрон заменён на отрицательно заряженный мезон или барион:
  • Антипротонные атомы, в частности
    • Протоний — система из протона и антипротона p⁺p⁻.
  • Пионные атомы (содержат отрицательно заряженный пи-мезон π⁻), в частности
    • Пионий — система из положительного и отрицательного пи-мезонов π⁺π⁻.
  • Каонные атомы (содержат отрицательно заряженный К-мезон K⁻).
  • Гиперонные атомы (содержат отрицательно заряженный гиперон, например Σ⁻ или Λ⁻).

См. также

• Онии — связанные состояния частицы и античастицы. Электромагнитно-связанные онии являются экзотическими атомами (позитроний, протоний); однако в кварковых ониях (π⁰-мезон и др.) доминирует сильное взаимодействие, поэтому обычно они не рассматриваются как экзотические атомы.
• Экситоны — квазичастицы в твёрдом теле, аналоги атомов, состоящие из электромагнитно-связанных электрона и дырки.

Ссылки

• Бетти С. Дж. Экзотические атомы // ЭЧАЯ. — 1982. — Т. 13. — С. 164.
• Бархоп Э. Экзотические атомы // Успехи физических наук. — 1972. — Т. 106, № 3. — С. 527—548. — doi:10.3367/UFNr.0106.197203f.0527.
• Экзотические атомы (рус.). https://teachmen.csu.ru/. Челябинский государственный университет. Дата обращения: 14 февраля 2022.