奇異原子

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穩定粒子中的一個或多個，通過電磁相互作用構成。

性質

舉例來說，普通的原子中的一個電子被其它帶負電的粒子，如µ^-、π^-等替代；或是原子核裏的一個質子被其它帶正電的粒子，如e⁺、µ⁺等替代而形成的原子；或是普通原子的電子和原子核中的質子兩者同時被替代，如e⁺和p組成的反氫，1970年E.H.S.博霍普將它們稱為奇特原子或奇異原子。能夠形成奇異原子的不穩定粒子除了e⁺、µ^±、π^±外，還有τ^±、K^±介子、D^±介子、反質子p、反中子n和超子Λ、Σ^±、Ξ^-、Ω^-等。

這些粒子都是在高能作用中產生的，除τ^±、D^±介子外，這些粒子的壽命都大於電磁相互作用引起的轉化與躍遷過程的特徵時間（10^-11秒），這樣就有足夠的時間在它們衰變之前形成奇異原子。因為所有替代粒子都是不穩定的，所以這些奇異原子的半衰期都很短，它們的壽命最長不會超過形成奇異原子的不穩定粒子在真空中的固有壽命，如（τ_μ≈2.2×10^-6秒，τ_π≈2.6×10^-8秒）。正電子本身雖然是穩定的，但與電子相遇會發生電子正電子湮沒，電子偶素（e^-e⁺）的壽命約為10^-7～10^-10秒。

由帶負電荷的粒子如µ^-或π^-、K^-替換原子中的一個或多個電子組成的奇異原子就稱為µ子原子、π介子原子、K介子原子等。由帶負電荷的粒子替換原子中的一個或多個電子可以組成奇異原子。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），包含反質子p的反質子原子（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）。K介子氫原子中，一個K^-介子在軌道上繞質子旋轉，類似於氫原子中一個電子繞質子旋轉，K介子氘原子的則是一個K^-介子和兩個質子組成。

不同於輕子，強子之間有強相互作用，通過強相互作用強子對原子能級產生影響，強子軌道很低，可能會被原子核俘獲吸收，成為深度束縛。強子原子（Hadronic atoms），如π介子氫原子和K介子氫原子，可以為將強相互作用作為探測器探討量子色動力學理論。

µ子原子muonic atom中μ子取代電子，μ子同電子一樣是一個輕子。輕子之間只有弱相互作用力、電磁力和引力，µ子原子對電磁相互作用很靈敏。μ子原子比其它奇異原子的壽命長百倍，因為μ子質量為電子的207倍，根據庫侖定律它的外層軌道也比電子外層軌道尺寸小207倍，因此原子直徑相應地也要小207倍，它的內層軌道可能會穿過原子核，一旦被原子核俘獲會形成μ子分子，這對於研究物質結構、固體物理學和核化學有重要的意義。μ子催化融合是一個μ子原子的技術性應用。

電子與質子形成氫原子，也能與中子以類似離子的形態呈現，電子、μ子及τ子也可以繞π⁺介子或Σ⁺超子旋轉，這些束縛態的結構都類似氫原子。

偶素（onium; onia）是粒子及其反粒子的束縛態，英文命名是在該粒子名後加後綴-ium。如典型的電子與正電子的束縛態電子偶素positronium（e⁺e^-）化學符號是Ps，1950年對電子偶素進行了研究發現，非相對論量子電動力學（NRQED）可以為此提供理論支持。

π介子偶素pionium，兩種相反電荷的π介子的束縛態，為探索強相互作用時值得注意。K介子偶素Kaonium，兩種相反電荷的K介子的束縛態。質子偶素Protonium，符號Pn，正反質子的的束縛態，也是應該存在的。具有強相互作用的電子偶素的類似物，不是奇異原子的夸克偶素quarkonium，也就是某些介子（同一夸克和反夸克組成），通過對重夸克如粲夸克或底夸克（頂夸克質量很大，在通過弱相互作用衰變前很短時間內才能形成束縛態）組成的夸克偶素介子的研究，是對量子色動力學的非相對論量子色動力學（NRQED）和點陣量子色動力學（lattice QCD）越來越重要的考驗。

（µ⁺e^-）稱為muonium，它的化學符號分別是Mu，被譯為緲子偶素。儘管它的名稱是偶素，但它不是μ⁺和µ^-的束縛態，而是µ⁺和e^-組成，它的名稱由IUPAC制定。反緲子偶素（或反µ子素Antimuonium）M=µ^-e⁺。

了解的強子的束縛態，如π介子偶素pionium和質子偶素protonium也很重要，可以澄清相關的概念，奇異強子exotic hadron，如介子分子mesonic molecules和五夸克態pentaquark。

奇異原子有時也能形成分子，像緲子偶素（μ⁺e⁻或Mu）的半衰期只有兩微秒，但科學家已經可以合成其化合物。

各種強子可以組成多種束縛態，類似原子核的結構，理論認為輕子也可以繞雙強子或多強子束縛態旋轉。超核，原子由電子和含超子的原子核組成，包含奇異量子數的粒子稱為超子。一般在核物理學的範圍內研究超核。

大多數奇異原子都是類氫原子（hydrogen-like atom），及是只擁有一個電子的原子，與氫原子同為等電子體，又稱為類氫離子。類氫原子只含有一個原子核與一個電子，是個簡單的二體系統，系統內的作用力只跟二體之間的距離有關，是反平方連心力。最典型的是里德伯原子（Rydberg atom），是指具有高激發態電子（主量子數n很大）的原子。里德伯原子中只有一個電子處於很高的激發態，離原子實（原子核和其餘的電子）很遠，原子實對這個電子的庫侖作用可視為一個點電荷的庫侖作用，因此可以將里德伯原子看作類氫原子。還可以組成里德伯分子（Rydberg molecule），還可以出現一種特殊相態里德伯極化子（Rydberg polaron）。

雙電子原子（two-electron atom）又稱為類氦離子（helium-like ion），是由一個帶電荷的原子核和兩個電子組成的量子力學系統，這是多電子系統的第一個例子，泡利不相容原理在其中起着中心作用。

前沿理論大統一理論（GUTs）、弦理論和M-理論都包含了磁單極子的解，有些理論計算發現磁單極子自身或與費米子可以組成束縛態。與電子類似磁單極子分為兩種分別帶有北磁荷和南磁荷，正反磁單極子在光子型強耦合下可以形成高自旋的Z介子。在某些天體上會有兩種存在形式磁中性原子和磁荷等離子體，帶正電的磁單極子可以和電子組成束縛態磁氫（monople hydrogen atom），一種磁中性類氫原子。磁中性粒子磁荷庫侖力很強，磁氫解離能很高，磁荷等離子只能在很高的溫度下存在。雙荷子（dyon）同時帶有磁荷和電荷，可以組成雙荷子偶素（dyonium）。費米子除具有電荷外，還有自旋磁矩，因而受到磁單極子的雙重作用，及磁場對運動電荷的洛倫茲力和對磁矩的吸力，重子大都具有較大的反常磁矩，可以與磁單極子形成束縛態成為磁單極子為核，重子繞它轉動的奇異原子。磁單極子一般認為比較重，當進入原子時會將原子核俘獲，相當於一個荷電粒子（或磁單極子）繞一個靜止的磁單極子（荷電粒子）運動。

准粒子原子，在凝聚態系統中，特別是在某些半導體中，有一種叫做激子的狀態，它是電子和空穴的束縛態。

發現

1940年中國物理學家張文裕在雲室中了發現µ^-子原子能級之間躍遷時發出的特徵光子，最早發現了由µ^-取代普通原子中一個電子e^-形成的µ子原子這一奇異原子。1951年發現了電子偶素。1952年卡馬克證實了π介子原子發出的X射線，發現了由π^-介子圍繞原子核旋轉的π介子原子。1960年休斯發現了電子e^-圍繞μ⁺旋轉的μ子素，又發現了用正電子e⁺圍繞μ^-旋轉的反μ子素，從而大大拓寬了奇異原子的類型。

後來又發現了K^-介子圍繞原子核旋轉的K介子原子，1970年發現了由反質子p、超子Σ^-、Ξ^-圍繞原子核旋轉組成的超子原子類型的奇異原子。

研究

正電子e⁺主要來源於β⁺衰變的核素，其它幾種粒子需要用中高能粒子加速器產生，一般都是用俘獲法或重粒子衰變法產生奇異原子：

• 把高能加速器中產生的高速運動的粒子慢化到俘獲或被俘獲截面很大的狀態，使得帶負電的粒子取代原子中的電子被原子核捕獲（如µ^-子原子），或者帶正電的粒子捕獲電子（如μ⁺e^-原子）形成奇異原子；
• 利用重粒子的衰變直接產生奇異原子〔如K⁰_L<→(πμ)+v〕。

奇異原子的性質與組成它的粒子的性質有密切關係，因此是原子物理和高能物理兩個領域共同研究的對象。形成奇異原子時，負粒子被捕獲在高激發態軌道上，隨後的躍遷過程放出一系列X射線，µ子原子釋放的X射線稱為µ子X射線。研究這類奇異原子主要靠測量這些X射線。奇異原子可以作為研究很多基本問題的「實驗室」。可用以檢驗除狄拉克方程以外的其他方程；研究庫侖力與靜電力的偏離、原子核的大小效應等；利用μe原子這種輕子原子驗證電弱統一理論；利用奇異原子的形成和衰變以及原子能級之間的移動和躍遷，測量生成這些奇異原子的粒子的基本量和其性質；利用原子能級躍遷值精確測定μ子、K介子、π介子、超子等粒子的質量。

奇異原子有些是由負粒子µ子及介子或超子等強子組成，質量、結合能比電子大兩到三個數量級，有着不同的自旋。奇異原子與普通原子相比有以下特點：

• 量子數相同時，軌道半徑與軌道上粒子的質量成反比，奇異原子半徑會比普通原子的小兩到三個數量級；
• 軌道能級與軌道上粒子的質量成正比，能級躍遷時能量比電子躍遷能高几百至幾千倍；
• 具有多種不同的自旋角動量；
• 基態不穩定，奇異原子會因為其中壽命較短的不穩定粒子中衰變而解體，或因為其「電子」與「核」碰到一起而衰變。

1960年代初發現物質的化學性質對奇異原子釋放的介子X射線譜的結構有影響，還發現一系列金屬氧化物捕獲µ^-的幾率比（=^Z/8）隨金屬原子序數^Z呈周期性的變化，其最小值從元素周期表的開始處出現，進而推斷化學鍵類型對奇異原子的形成和衰變有一定影響。到60年代中期，從實驗上肯定了奇異原子的形成幾率與衰變方式同化學環境有着密切聯繫，由此發展出奇異原子化學這一新的研究領域。

奇異原子化學是粒子物理學與核化學相交叉的邊緣學科。這一研究主要有兩方面，首先是找出物質化學結構影響奇異原子形成與衰變的規律，其次是通過觀測奇異原子的形成與衰變來獲取有關的化學結構和化學反應動力學的新數據，這為我們提供了一種研究分子電子結構和材料化學的性質的新途徑。

電子偶素和µ子素都是類氫原子，µ⁺質量是e⁺的207倍，所以µ子素更像氫原子，它們都有具有特徵的短壽命，可以作為氫的示蹤劑。π^-被氫原子浮獲後與氫核發生特徵的電荷交換反應π^-+p→n+π⁰，π⁰接着又釋放出2個光子，以此鑑定材料中的氫元素其他元素干擾極小。氫的化學狀態強烈地影響π介子原子的形成。奇異原子化學中一個頗具實用價值的課題就是利用µ⁺、π^-介子研究含氫材料的化學性質和氫鍵特徵。

著名的奇異原子

• 電子偶素（由正子和電子構成）
• 雙電子偶素（由兩個電子偶素構成的分子）
• 氫化電子偶素（由氫原子和電子偶素構成的分子）
• 緲子偶素（由反緲子和電子構成）
• K介子原子（由K介子和質子構成）
• 反氫（由正電子和反質子構成）
• 反氦

奇異原子列表

輕子束縛態

• 電子偶素（Positronium）或稱正子素，化學符號是Ps
  • 單態電子偶素（para-Positronium）（p-Ps）
  • 三態電子偶素（ortho-Positronium）（o-Ps）
  • 電子偶素負離子(Ps^-)是兩個電子和一個正電子組成的庫侖三體系統
  • 氫化電子偶素（Positronium hydride），化學式為PsH
  • 雙電子偶素（Di-positronium），化學式為Ps₂
• 緲子偶素（Muonium）或稱μ子素，化學符號是Mu，電子繞正μ子旋轉
• 反緲子偶素（Antimuonium）或反μ子素，正電子繞負μ子旋轉
• 真緲子偶素（true Muonium）正反μ子束縛態
• 陶子偶素（Tauonium）或稱τ子素，電子繞正τ子旋轉
• 反陶子偶素（Antitauonium）或反τ子素，正電子繞負τ子旋轉
• 真陶子偶素（true Tauonium）正反τ子束縛態
• 緲陶子偶素（Muo-Tauonium）μ子繞正τ子旋轉
• 反緲陶子偶素（Anti-Muo-tauonium）正μ子繞負τ子旋轉

輕子原子

• μ原子（mu atom）μ子繞原子核旋轉
  • μ氫原子（hydrogen muon atom）μ子與氫原子核（質子）構成的原子
  • 氫-4.1或稱μ氦核原子（The neutral muonic helium atom）氦-4原子的一個電子由緲子取代，緲子比較重，所以原子核由1個緲子、2個質子和2個中子組成、外側只有一個電子，因此可以視為一種氫的同位素，1個緲子重約0.113原子質量單位，故名氫-4.1(^4.1H)，這種原子可與其他元素反應，其行為更像一個氫原子而不是像氦原子
• τ原子（tau atom）τ子繞原子核旋轉
• 輕子中子對
  • 中子電子對（neutron-electron pair ,n-e）中子和電子能以類似離子的形態呈現，理論上也存在中子μ子對，π⁰介子電子對和Λ超子電子對等形式。
• 介子素
  • π介子素 電子繞π⁺介子旋轉
  • K介子素 電子繞K⁺介子旋轉
• 超子素
  • Σ超子素 電子繞Σ⁺超子旋轉
  • Ξ超子素 電子繞Ξ⁺超子旋轉
  • Ω超子素 電子繞Ω⁺超子旋轉

磁單極原子

• Z介子（Z Meso）高自旋的正反磁單極子束縛態
• 雙荷子偶素（dyonium）兩個雙荷子（dyon）束縛態
• 磁氫（monople hydrogen atom）磁中性類氫原子，正電的磁單極子和電子的束縛態
• 磁單極子與重子的束縛態，磁單極子為核，重子繞它轉動
  • 荷電重子與磁單極子束縛態，如質子
  • 中性粒子與磁單極子束縛態，如中子
• 磁單極子與原子核的束縛態，一個荷電粒子（或磁單極子）繞一個靜止的磁單極子（荷電粒子）運動。

雙強子原子

• 介子原子（mesonic atom）
  • π^-原子 負π介子繞原子核旋轉
  • K^-原子 負K介子繞原子核旋轉
    • K^-氫原子或稱K介子原子（Kaonic hydrogen）
    • K^-氘原子 一個K^-介子和兩個質子組成
• 雙介子原子（dimeson atom）
  • π⁺K^-原子
  • π^-K⁺原子
  • 介子偶素（mesonium）
    • π介子偶素（Pionium）π⁺π^-原子（記為A_2π）
    • K介子偶素（Kaonium）K⁺K^-原子
• 重子原子（baryonic atom）
  • 質子偶素（Protonium），符號Pn，正反質子的的束縛態
  • 反質子原子（antiprotonic atom）反質子（帶負電荷的質子）繞原子核旋轉
    • 反質子氫（Antiprotonic hydrogen）
    • 反質子氦（Antiprotonic helium）
  • 超子原子（Hyperon atom）
    • Σ^-原子 負Σ超子繞原子核旋轉
    • Ξ^-原子
    • Ω^-原子

強子分子態（hadron molecules）

由兩個或兩個以上重子通過強相互作用結合形成

• 介子分子（Mesonic molecule）
  • 介子偶素（mesonium）正反介子對
  • 雙介子態（Dimeso）四夸克態的一種可能形式
• 重子分子（baryonic molecules）
  • 重子偶素（Baryonium）正反重子對
  • 雙重子態（Dibaryo）NN（氘），H雙重子，ΩΩ（雙Ω粒子）
  • 重子介子分子（baryonic-mesonic molecules）五夸克態的一種可能形式

核束縛態

• 介子核（Mesonucleus）原子核含有介子
  • π介子核
  • η介子核
  • K介子核
  • 重味介子核
• 超核（Hypernucleus）原子核含有超子，具有奇異量子數
  • Λ超核
  • 雙Λ超核
  • Σ超核
  • Ξ超核
  • Ω超核
  • 多奇異數超核
  • 重味超核

反物質（Antimatter）

• 反氫（antihydrogen）H
• 反氘（D）
• 反氚（T）
• 反氦（He）
• 反氦4（⁴He）（目前發現最重反物質）
• 反Λ超氚（antihypertriton）

參考文獻

來源

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