奇異原子

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奇異原子通常是指與一般原子構成不同的原子,普通的原子是由電子e、質子p和中子n這三種長壽的粒子構成,但奇異原子卻是以其他的粒子代替這三種稳定粒子中的一个或多个,通过电磁相互作用構成。

性质[编辑]

举例来说,普通的原子中的一个电子被其它带负电的粒子,如µ-、π-等替代;或是原子核裡的一个质子被其它带正电的粒子,如e+、µ+等替代而形成的原子;或是普通原子的电子和原子核中的质子两者同时被替代,如e+p组成的反氢,1970年E.H.S.博霍普将它们称为奇特原子奇异原子。能够形成奇异原子的不稳定粒子除了e+、µ±、π±外,还有τ±、K±介子、D±介子、反质子p和超子Λ、Σ±、Ξ-、Ω-等。[1][2]

这些粒子都是在高能作用中产生的,除τ±、D±介子外,这些粒子的寿命都大于电磁相互作用引起的转化与跃迁过程的特征时间(10-11秒),这样就有足够的时间在它们衰变之前形成奇异原子。因为所有替代粒子都是不稳定的,所以这些奇异原子的半衰期都很短,它们的寿命最长不会超过形成奇异原子的不稳定粒子在真空中的固有寿命,如(τμ≈2.2×10-6秒,τπ≈2.6×10-8秒)。正电子本身虽然是稳定的,但与电子相遇会发生电子正电子湮没,电子偶素(e-e+)的寿命约为10-7~10-10秒。

由带负电荷的粒子如µ-或π-、K-替换原子中的一个或多个电子组成的奇异原子就称为µ子原子、π介子原子、K介子原子等。 由带负电荷的粒子替换原子中的一个或多个电子可以组成奇异原子。[3]包含µ-的µ子原子,包含π-、K-等介子的π介子原子、K介子原子(介原子mesonic atom),包含反质子p的反质子原子(antiprotonic atom),包含Σ-、Ξ-、Ω-等超子的Σ超子原子、Ξ超子原子、Ω超子原子(超子原子Hyperon atom)。[4][5][6]K介子氢原子中,一个K-介子在轨道上绕质子旋转,类似于氢原子中一个电子绕质子旋转,K介子氘原子的则是一个K-介子和两个质子组成。

不同于轻子,强子之间有强相互作用,通过强相互作用强子对原子能级产生影响,强子轨道很低,可能会被原子核俘获吸收,成为深度束缚。[2][5]强子原子(Hadronic atoms),如π介子氢原子和K介子氢原子,可以为将强相互作用作为探测器探讨量子色动力学理论。[7]

µ子原子muonic atom中μ子取代电子,μ子同电子一样是一个轻子。轻子之间只有弱相互作用力、电磁力和引力,µ子原子对电磁相互作用很灵敏。μ子原子比其它奇异原子的寿命长百倍,因为μ子质量为电子的207倍,根据库仑定律它的外层轨道也比电子外层轨道尺寸小207倍,因此原子直径相应地也要小207倍,它的内层轨道可能会穿过原子核,一旦被原子核俘获会形成μ子分子,这对于研究物质结构、固体物理学和核化学有重要的意义。μ子催化融合是一个μ子原子的技术性应用。

偶素(onium; onia)是粒子及其反粒子的束缚态,英文命名是在该粒子名后加后缀-ium。如典型的电子与正电子的束缚态电子偶素positronium(e+e-)化学符号是Ps,1950年对电子偶素进行了研究发现,非相对论量子电动力学(NRQED)可以为此提供理论支持。

π介子偶素pionium,两种相反电荷的π介子的束缚态,为探索强相互作用时值得注意。K介子偶素Kaonium,两种相反电荷的K介子的束缚态。质子偶素protonium也是应该存在的。具有强相互作用的电子偶素的类似物,不是奇异原子的夸克偶素quarkonium,也就是某些介子(同一夸克和反夸克组成),通过对重夸克如粲夸克或底夸克(顶夸克质量很大,在通过弱相互作用衰变前很短时间内才能形成束缚态)组成的夸克偶素介子的研究,是对量子色动力学的非相对论量子色动力学(NRQED)和点阵量子色动力学(lattice QCD)越来越重要的考验。

+e-)称为muonium,它的化学符号分别是Mu,被译为緲子偶素。尽管它的名称是偶素,但它不是μ+和µ-的束缚态,而是µ+和e-组成,它的名称由IUPAC制定。反緲子偶素(或反µ子素Antimuonium)M-e+

了解的强子的束缚态,如π介子偶素pionium和质子偶素protonium也很重要,可以澄清相关的概念,奇异强子exotic hadron,如介子分子mesonic molecules和五夸克态pentaquark。

奇異原子有時也能形成分子,像緲子偶素+e或Mu)的半衰期只有兩微秒,但科學家已經可以合成氯化緲子偶素(MuCl)和緲子偶素化鈉(NaMu)。

超核,原子由电子和含超子的原子核组成,包含奇异量子数的粒子称为超子。一般在核物理学的范围内研究超核。

发现[编辑]

1940年中国物理学家张文裕在云室中了发现µ-子原子能级之间跃迁时发出的特征光子,最早发现了由µ-取代普通原子中一个电子e-形成的µ子原子这一奇异原子。1951年发现了电子偶素。1952年卡马克证实了π介子原子发出的X射线,发现了由π-介子围绕原子核旋转的π介子原子。1960年休斯发现了电子e-围绕μ+旋转的μ子素,又发现了用正电子e+围绕μ-旋转的反μ子素,从而大大拓宽了奇异原子的类型。

后来又发现了K-介子围绕原子核旋转的K介子原子,1970年发现了由反质子p、超子Σ-、Ξ-围绕原子核旋转组成的超子原子类型的奇异原子。

研究[编辑]

正电子e+主要来源于β+衰变的核素,其它几种粒子需要用中高能粒子加速器产生,一般都是用俘获法或重粒子衰变法产生奇异原子:

  • 把高能加速器中产生的高速运动的粒子慢化到俘获或被俘获截面很大的状态,使得带负电的粒子取代原子中的电子被原子核捕获(如µ-子原子),或者带正电的粒子捕获电子(如μ+e-原子)形成奇异原子;
  • 利用重粒子的衰变直接产生奇异原子〔如K0L<→(πμ)+v〕。

奇异原子的性质与组成它的粒子的性质有密切关系,因此是原子物理和高能物理两个领域共同研究的对象。形成奇异原子时,负粒子被捕获在高激发态轨道上,随后的跃迁过程放出一系列X射线,µ子原子释放的X射线称为µ子X射线。研究这类奇异原子主要靠测量这些X射线。奇异原子可以作为研究很多基本问题的“实验室”。可用以检验除狄拉克方程以外的其他方程;研究库仑力与静电力的偏离、原子核的大小效应等;利用μe原子这种轻子原子验证电弱统一理论;利用奇异原子的形成和衰变以及原子能级之间的移动和跃迁,测量生成这些奇异原子的粒子的基本量和其性质;利用原子能级跃迁值精确测定μ子、K介子、π介子、超子等粒子的质量。

奇异原子有些是由负粒子µ子及介子或超子等强子组成,质量、结合能比电子大两到三个数量级,有着不同的自旋。奇异原子与普通原子相比有以下特点:

  • 量子数相同时,轨道半径与轨道上粒子的质量成反比,奇异原子半径会比普通原子的小两到三个数量级;
  • 轨道能级与轨道上粒子的质量成正比,能级跃迁时能量比电子跃迁能高几百至几千倍;
  • 具有多种不同的自旋角动量;
  • 基态不稳定,奇异原子会因为其中寿命较短的不稳定粒子中衰变而解体,或因为其“电子”与“核”碰到一起而衰变。

60年代初发现物质的化学性质对奇异原子释放的介子X射线谱的结构有影响,还发现一系列金属氧化物捕获µ-的几率比(=Z/8)随金属原子序数Z呈周期性的变化,其最小值从元素周期表的开始处出现,进而推断化学键类型对奇异原子的形成和衰变有一定影响。到60年代中期,从实验上肯定了奇异原子的形成几率与衰变方式同化学环境有着密切联系,由此发展出奇异原子化学这一新的研究领域。

奇异原子化学是粒子物理学与核化学相交叉的边缘学科。这一研究主要有两方面,首先是找出物质化学结构影响奇异原子形成与衰变的规律,其次是通过观测奇异原子的形成与衰变来获取有关的化学结构和化学反应动力学的新数据,这为我们提供了一种研究分子电子结构和材料化学的性质的新途径。

电子偶素和µ子素都是类氢原子,µ+质量是e+的207倍,所以µ子素更像氢原子,它们都有具有特征的短寿命,可以作为氢的示踪剂。π-被氢原子浮获后与氢核发生特征的电荷交换反应π-+p→n+π0,π0接着又释放出2个光子,以此鉴定材料中的氢元素其他元素干扰极小。氢的化学状态强烈地影响π介子原子的形成。奇异原子化学中一个颇具实用价值的课题就是利用µ+、π-介子研究含氢材料的化学性质和氢键特征。

著名的奇異原子[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ §1.8, Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles, Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, and Wilhelm Raith, Berlin: Walter de Gruyter, 1997, ISBN 3110139901.
  2. ^ 2.0 2.1 Exotic atoms, AccessScience, McGraw-Hill. Accessed on line September 26, 2007.
  3. ^ p. 3, Fundamentals in Hadronic Atom Theory, A. Deloff, River Edge, New Jersey: World Scientific, 2003. ISBN 9812383719.
  4. ^ p. 8, §16.4, §16.5, Deloff.
  5. ^ 5.0 5.1 The strange world of the exotic atom, Roger Barrett, Daphne Jackson and Habatwa Mweene, New Scientist, August 4, 1990. Accessed on line September 26, 2007.
  6. ^ p. 180, Quantum Mechanics, B. K. Agarwal and Hari Prakash, New Delhi: Prentice-Hall of India Private Ltd., 1997. ISBN 81-203-1007-1.
  7. ^ Exotic atoms cast light on fundamental questions, CERN Courier, November 1, 2006. Accessed on line September 26, 2007.

参考书目[编辑]

E.Fluch and V.I.Goldanskii,et al., ed., Modern Physics in Chemistry,Vol.1,Academic Press,London, 1976.