Экзотические атомы

Конспект лекции с демонстрацией

Наши задачи: коротко о свойствах необычных атомов, их проявлениях в физических измерениях и применении в физических исследованиях.

 

Атомы, из которых состоят окружающие нас предметы и мы сами, состоят из ядер и электронов. Заряженное ядро содержит протоны и нейтроны. Физики научились получать необычные атомы, содержащие мюоны, позитроны, ... и получать с их помощью дополнительную информацию о свойствах атомов и ядер.

 

 Позитроний

Позитронием называют водородоподобную систему, состоящую из позитрона e+ (античастицы электрона) и электрона e-. Позитроний обозначается химическим символом Ps.

В лекции о водородоподобных атомах рассмотрены свойства атомов, состоящих из ядра и одного электрона. Заряд ядра равен Ze, где Z - порядковый номер элемента (число протонов в ядре). В системе центра масс решена задача о движении частицы с приведенной массой

mu

относительно неподвижного центра (здесь me - масса электрона, M - масса ядра). Зависимость энергии взаимодействия электрона с ядром от координаты выражается формулой

U(r)

В результате решения задачи получены выражения для возможных значений энергии атома

E=1/n2   (1)

где квантовое число n = 1, 2, 3,... , и величина наиболее вероятного удаления электрона от ядра в основном состоянии (для Z = 1)

ro   (2).

Возможна связанная система, состоящая из позитрона и электрона. Массы позитрона и электрона одинаковы, поэтому приведенная масса μ равна половине массы электрона (в атоме водорода me << M и μ ~ me). Следовательно, энергии основного и всех возбужденных состояний позитрония в два раза больше, чем в атоме водорода (модули значений (1) в два раза меньше, но в связанном состоянии энергии E отрицательны). Характерный размер позитрония больше в два раза размера атома водорода. Позитроний - нестабильный атом. Античастицы электрон и позитрон аннигилируют с испусканием γ - квантов. Если была бы верна модель Бора (распределение справа на рисунке ниже), и частицы двигались по стационарным орбитам, позитроний жил бы долго. Но в реальном атоме плотность вероятности отлична от ноля в широком диапазоне значений координаты r (средний график), и вероятность "встречи" античастиц велика. В итоге время жизни позитрония составляет в зависимости от взаимной ориентации спинов электрона и позитрона от 10-10до 10-7 с. Впервые экспериментально позитроний получен в 1951 году. Эти атомы образуются при столкновениях медленных позитронов с атомами. Некоторые из таких столкновений приводят к тому, что позитрон захватывает один из внешних электронов атомной оболочки. Для теоретической физики позитроний как объект исследования весьма интересен: его свойства можно рассчитать с высокой степенью точности, а затем сравнить расчеты с экспериментальными данными.

psi_s

Хотя время жизни позитрония мало, он успевает вступить в химические реакции. Химически позитроний близок к водороду, его взаимодействия используются для изучения кинетики химических реакций, диффузии, фазовых переходов и других физико-химических процессов в газах и конденсированных средах.

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде в 2012 году разработали эффективную методику получения с помощью лазера атомов позитрония в ридберговском состоянии с главным квантовым числом n=10-25 (время жизни позитрония в сильно возбужденном состоянии увеличивается от 10 до 100 раз). Долгоживущее ридберговское состояние позитрония имеет хорошие перспективы для высокоточных экспериментов по проверке фундаментальных физических принципов. В том числе, в ближайшем будущем станет возможным поиск отличий в гравитационных свойствах частиц и античастиц.

Атомы водорода склонны объединяться в двухатомные молекулы. Естественно предположить, что на такое способны и атомы позитрония. В 2007 году физикам Калифорнийского университета А. Миллзу и Д. Кассиди удалось создать очень недолговечные квазимолекулы, состоящие из пары электронов и пары позитронов. И не просто создать, но и надежно это доказать. (Подробности). Накопив в ловушке около двадцати миллионов позитронов, экспериментаторы выстреливали ими в небольшой участок кварцевой пленки толщиной 230 нанометров, содержащей множество тончайших отверстий. Роль кварца состоит в поглощении энергии, выделяющейся при образовании молекулы позитрония. Иначе атомы позитрония почти наверняка оттолкнутся друг от друга и вновь разойдутся в разные стороны. Естественно, сами эти молекулы никто не видел. Однако при аннигиляции они давали характерное гамма-излучение, которое и было зарегистрировано.

 

 Мюоний

Мюон — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, равным заряду электрона, и спином 1/2. Обозначается μ-. Масса мюона равна 207 электронных масс. Мюоны были открыты К. Андерсоном в 1936 году во время исследования космических лучей. Велись поиски частиц, обменом которых осуществляется ядерное взаимодействие. Однако было обнаружено, что мюон не вступает в сильные взаимодействия. Мюон μ- имеет античастицу μ+ с квантовыми числами (в том числе зарядом) противоположного знака, но с равной массой и спином. Мюоны были первыми открытыми элементарными частицами, которые не встречались в обычных атомах.

Мюоний, частица, состоящая из положительного мюона μ+ и электрона е-. Обозначается μ+е- или Mu.

Строение мюония аналогично атому водорода, от которого мюоний отличается заменой протона на μ+. Приведённая масса мюония, его характерный размер, энергии основного и всех возбужденных состояний близки к соответствующим величинам для атома водорода. Поэтому химически мюоний подобен атомарному водороду.

Мюоний образуется при торможении μ+ в веществе. При этом μ+ присоединяет к себе электрон из оболочки атома, а атом становится положительным ионом. Например, μ+ + Xe => μ+е- + Xe+. Время жизни мюония t = 2.210-6 сек; оно определяется временем жизни μ+. Хотя время жизни мюона невелико, мюоний успевает образовать химические соединения, например хлорид мюония MuCl и мюонид натрия NaMu. Мюоний следует отличать от мюонных атомов, которые возникают при захвате обычным атомом отрицательного мюона на электронную орбиту (о них ниже).

 

 Мюонные атомы

В 1971 году в Государственном реестре открытий СССР зарегистрировано: "Установлено неизвестное ранее явление образования мюонного свободного атома, обусловленное заполнением электронной оболочки мезоатома при атомном захвате отрицательно заряженного мюона на мюонную К-орбиту". Эксперименты проведены на синхроциклотроне Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне.

Отрицательные мюоны μ- могут формировать мюонные атомы, заменяя электроны в обычных атомах. Простейший мюонный атом можно получить из атома водорода, заменив электрон на мюон. Приведенная масса такого атома в 186 раз больше, чем атома водорода. Следовательно (см. формулы 1 и 2), энергия связи в 186 энергия перехода 2P 1Sраз больше, а характерный размер во столько же раз меньше. ρ = 2.8·10-13 м. Для более тяжелых атомов с зарядовым числом Z = 5-10 размеры мюонного облака сравнимы или не более чем на порядок превосходят размеры ядра, и неточечность ядра начинает оказывать сильное влияние на вид волновых функций мюона. Как следствие, изучение их энергетического спектра (иначе говоря, линий поглощения мюонного атома) позволяет "заглянуть" в ядро и исследовать его внутреннюю структуру. Это позволяет, например, определить радиус ядра R при сравнении характеристик электромагнитного излучения реального μ-атома с характеристиками излучения гипотетического μ-атома, ядро которого точечное. Первые измерения такого рода выполнены в 1953 году В. Фитч и Дж. Рейнуотер. На рисунке слева приведена зависимость энергии перехода 2P => 1S (Kα - линия спектра) от заряда ядра. Штриховая линия соответствует точечному ядру, а сплошная - ядру конечных размеров. Обратите внимание на два обстоятельства: энергии квантов имеют порядок МэВ (в атоме водорода при таком переходе энергия кванта 10.2 эВ) и масштаб по оси ординат - логарифмический. Влияние конечного размера ядра на спектр μ-атома очень велико. Далее из измерений сверхтонкого расщепления уровней μ-атомов найдены квадрупольные моменты ядер, величина которых говорит о степени несферичности ядер.

Интересна цепочка реакций, в которой участвуют мюон μ- и дейтрон d (ядро тяжелого водорода, состоящая из протона и нейтрона). Прилипание мюона μ- + d => μ-d, реакция синтеза μ-d + d => n + 3He + 3.3 МэВ + μ-, затем новый захват освободившегося мюона, ... . Это реакция синтеза d + d, в которой выделяется очень большая энергия. В отсутствии мюона слиянию ядер d препятствует кулоновское отталкивание. Этот процесс происходят с заметной вероятностью лишь при энергиях сталкивающихся частиц ~ кэВ, т. е. при температурах в десятки и сотни миллионов градусов (термоядерный синтез). Чтобы сблизиться до расстояний действия ядерных сил ~10-15 м, ядрам нужно путем туннельного перехода преодолеть высокий барьер кулоновского отталкивания. С этой цепочкой связывали надежду на управляемый термоядерный синтез. Надежды не оправдались. Экспериментально удалось получить число реакций синтеза, инициируемое одним мюоном, ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 * 20 МэВ = 2 ГэВ. Но эта величина все же меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс.

 

 Адронные атомы

Это атомы, заряд ядра которых +Ze, а электрон замещен отрицательным адроном (адроны - частицы, участвующие в сильных взаимодействиях). Адронный атом образуется при замедлении отрицательного адрона в веществе. Адрон захватывается атомом с образованием, как правило, высоковозбужденного состояния. Формулы (1) и (2) могут дать только очень грубую оценку величин для основного состояния, т.к. существенную роль играет сильное взаимодействие. Ввиду короткодейтсвующего характера ядерного взаимодействия для возбужденных состояний этими формулами пользоваться можно. Наблюдались пионные (π-), каонные (K-), антипротонные и гиперонные (Σ-) атомы. Изучение адронных атомов дает информацию и об адроне и о ядре (массе и магнитном моменте адрона, распределение вещества в ядре, поляризуемость адрона и ядра), а также об их взаимодействии (рассеяние и поглощение адрона ядром). Изучение атома, состоящего из антипротона и протона, началось в 1970. Масса антипротона из измерений рентгеновских спектров согласуется с массой протона. По тонкому расщеплению уровней найден магнитный момент антипротона, равный 2,7950±019 ядерного магнетона, что также согласуется с магнитным моментом протона.

 

 Антиводород

Антиматерия образуется так же, как обычная материя. Однако составляющие её "частицы" являются античастицами по отношению к обычной материи. Так, например, атом антиводорода состоит из антипротона и позитрона подобно тому, как атом водорода состоит из протона и электрона. Интерес к образованию и изучению антиматерии связан с тем, что позволяет проверить справедливость основных положений Стандартная модели, общей теории относительности. Согласно СРТ-инвариантности антиводород должен иметь такую же массу, абсолютную величину магнитного момента, как и обычный атом водорода. Энергетические спектры атомов водорода и антиводорода должны быть полностью идентичны. Атомы антиводорода должны в результате гравитационного взаимодействия с одинаковой силой притягиваться к частицам, как материи, так и антиматерии. Однако все эти утверждения, кажущиеся на первый взгляд очевидными, должны быть проверены и подтверждены экспериментально. Поэтому образование и изучение свойств наиболее простого атома антиматерии – атома антиводорода – происходит в течение длительного времени несколькими группами ученых. antiHВ сентябре 1996 года в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) получены первые атомы антиводорода, состоящего из антипротона и позитрона. Справа схема установки, на которой они получены. Пучок антипротонов накопительного кольца падал на внутреннюю струйную ксеноновую мишень. При взаимодействии антипротона с ядром ксенона происходило образование электрон-позитронной пары, причем позитрон рождался в одном из связанных состояний в поле антипротона. В эксперименте, который длился два месяца, было получено 11 атомов антиводорода с энергией ~ 1 ГэВ. Позже 30 атомов антиводорода были получены в аналогичном опыте в Лаборатории им. Э. Ферми – FermiLab. Однако полученные как в ЦЕРНе, так и в Фермилабе атомы антиводорода имели слишком высокие энергии и плохо подходили для исследований их свойств. В 2002 году сразу два содружества ученых — ATRAP и ATHENA — синтезировали и в течение долгого времени удерживали относительно холодный антиводород в значительных количествах, порядка 50 000 000 атомов. В 2010 году участники эксперимента ALPHA, проводившегося в ЦЕРН, опубликовали статью, в которой заявили, что им удалось не только создать атомы антиводорода, но и удерживать их в специальной ловушке в течение 0,1—0,2 секунды. Магнитная ловушка использует для удержания неЙтральных атомов антиводорода их слабые магнитные свойства. В alfa2011 году это время было увеличено до 17 минут.

В 2012 году Хангст и сотрудники (проект ALPHA) обнаружили, что при помощи микроволнового излучения определенной частоты можно изменить ориентацию спина позитрона, и тем самым освободить атом антиводорода из магнитной ловушки. Затем "сбежавший" атом антиматерии сталкивается с обычными частицами и аннигилирует. Возникшие в этот момент фотоны улавливаются детекторами, и их спектр, энергия и другие характеристики позволяют определить некоторые свойства атомов антиводорода. Как отмечают физики, спектральные характеристики антиводорода укладываются в пределы значений, характерных для обычных атомов водорода. На текущий момент точность измерений остается слишком низкой для серьезного изучения спектра.

Для атомов антиводорода предполагается измерение частоты электронного перехода 1s - 2p (из основного состояния в первое возбужденное) методами лазерной спектроскопии высокого разрешения. (Частота этого перехода в водороде известна с точностью до 1.8·10–14 – не зря же водородный мазер считается стандартом частоты.) Согласно теории, они должны быть таким же, как и у обычного водорода. Если же, например спектр поглощения, окажется другим, то придется вносить коррективы в фундаментальные основы современной физики.

О сложности экспериментов для изучении антиматерии дает представление фотография установки проекта ALPHA.

 

 Ридберговские атомы

Высоковозбужденные атомы, когда n >> 1, называют ридберговскими. Вернемся к утверждению о микроскопическом размере атома. В общем случае это утверждение неточно. Атом имеет микроскопический размер лишь в тех случаях, когда атомный электрон находится в основном или одном из первых возбужденных состояний. Если электрон в результате поглощения внешней энергии переходит в высоковозбужденное состояние, то размер атома увеличивается и при экстремально большом возбуждении атом становится макроскопическим объектом. Для атомов всех элементов высоковозбужденные состояния водородоподобны. Причина в том, что при n >> 1 внешний электрон почти все время удален от иона на очень большие расстояния. Тем самым он движется в поле положительно заряженного атомного остатка (как в водородном атоме вокруг ядра). Отклонения от этой модели заметны только на близких расстояниях от центра. Энергии ридберговского атома весьма точно описываются формулой

Е ридб,

где δ - это поправка Ридберга, иначе называемая квантовым дефектом, которая отражает факт отклонения поля от кулоновского. Оценки по этой формуле для n = 100 дают для энергии ионизации величину ~10-3 эВ, что на порядок меньше средней кинетической энергии атомов в газе при комнатной температуре kT ~ 10-2 эВ.

Главная особенность ридберговских состояний – универсальный для всех атомов характер, т.е. все подобные атомы по свойствам схожи. Время жизни этих состояний растет пропорционально n9/2 и может достигать миллисекундных значений и более в зависимости от того, насколько велико главное квантовое число n. Таблица иллюстрирует качественное различие между микроскопическим атомом, находящимся в основном или первых возбужденных состояниях (в таблице n = 2), и макроскопическим ридберговским атомом (n = 1000).
главное квантовое число n21000
энергия связи электрона в атоме (энергия ионизации), эВ~510-5
размер атома, м~10-10~10-4
период обращения электрона по орбите (в модели Бора), с~10-16~10-7
естественное время жизни, с~10-8~1

Оказалось, газ возбужденных атомов конденсируется, конденсированное возбужденное состояние энергетически более выгодно по сравнению с газовым (как в металле, электрон не принадлежит отдельному атому). В 1990 г. К.Аман, Дж.Петтерсон и Л.Холмлид из Гётеборгского университета экспериментально наблюдали большие кластеры из возбужденных атомов цезия, масса которых достигала примерно 40 тысяч атомной массы цезия. Для теории здесь интересны два момента. Во-первых – поиски и разработка новых подходов к анализу возбужденного состояния, в котором возбуждений настолько много, что они не могут больше рассматриваться как независимые. Такие условия часто наблюдаются (возможно, в шаровой молнии). Во-вторых – собственно создание теории конденсированного возбужденного состояния вещества. Заложены только ее контуры, поле для работы лишь обозначено. Ридберговское вещество – это аккумулятор энергии возбуждений, и оно могло бы использоваться как рабочее тело для сверхмощных лазеров. В 2012 году с помощью лазерных лучей команда физиков (Германия) создала из атомов рубидия в ридберговском состоянии квантовую материю, обладающую кристаллическими свойствами. Это новое состояние вещества является очень хрупким, оно существует, только пока включен лазерный луч и атомы возбуждены. Делая "мгновенные снимки" таких конфигураций специальной техникой с высочайшим разрешением, ученые выявили различные геометрии этого кристалла.

Изучение ридберговских состояний имеет большое значение для радиоастрономии, физики плазмы и лазерной физики.

 

Конструктор

Различные варианты экзотических атомов можно построить с помощью компьютерной модели. Кнопкой "Старт" конструктор приводится в действие ( этой же кнопкой следует остановить таймер по окончанию работы). Далее следует выбрать частицы, из которых будете строить атом, и указать их количество. И, наконец, правильно определить состояние для электрона (мюона). Состояние задается дважды: выбором значений главного n и орбитального l квантоввых чисел и указанием обозначения состояния (1s, 2s? 2p, ...). Если при работе допустите ошибку, компьютер выдаст предупреждение. Если не знаете, в чем ошибка, нажмите кнопку "Подсказка". В любой момент можно обратиться к компьютеру за помощью (кнопка "Теория").

Рекомендуемые упражнения

1.Начните с построения конфигурации электронной оболочки обычного атома водорода. Измерьте энергии основного и возбужденных состояний этого атома.

2.Составьте атом из электрона и μ+ (мюоний). Измерьте энергию основного состояния мюония. Попробуйте численным расчетом обосновать небольшое отличие значений энергии водорода и мюония.

3.Постройте конфигурацию оболочки мюонного атома (в котором один из электронов заменен на мюон). Измерьте энергии электронных и мюонных уровней такого атома.

4.Составьте атом из электрона и позитрона (позитроний). Измерьте энергию основного и возбужденных состояний позитрония. Объясните различие от значений для атомарного водорода.

4.По желанию поупражняйтесь в построении антиатома.

 

Если возникли вопросы, напишите.