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穩定粒子中的一個或多個,通過電磁相互作用構成。

性質[編輯]

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;或是原子核裡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+p組成的反氫,1970年E.H.S.博霍普將它們稱為奇特原子奇異原子。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和超子Λ、Σ±、Ξ-、Ω-等。[1][2]

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(τμ≈2.2×10-6秒,τπ≈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。[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)。[4][5][6]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。[2][5]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。[7]

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。

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。

+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-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+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。

發現[編輯]

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[編輯]

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K0L<→(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。

60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,以此鑒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[編輯]

參考資料[編輯]

  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.

參考書目[編輯]

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