Egzotiniai atomai: kas tai yra, rūšys ir savybės

Egzotinis atomas - tai atomas, kurio dalelė pakeista to paties krūvio dalele. Pavyzdžiui, egzotinį atomą pozitroną sudaro elektronas ir pozitronas. Pozitronas (kuris yra elektrono antidalelė) pakeičia protoną, kuris paprastai yra tame atome. Daugumą egzotinių atomų sunku atrasti, nes jie labai greitai suyra. Pozitronio pusėjimo trukmė skiriasi priklausomai nuo būsena: singletiniam (para-pozitroniui) ji yra apie 0,125 nanosekundės (125 ps), o tripletiniam (orto-pozitroniui) — apie 142 nanosekundžių vakuume. Egzotinių atomų yra kelios rūšys, ir jos skiriasi tiek savo sandara, tiek savybėmis bei taikymu.

Rūšys ir trumpas aprašymas

• Pozitronis (positronium) — sudarytas iš elektrono ir pozitriono. Tai lengviausias egzotinis "atomu panašus" objektas; jo energijos lygiai primena vandenilio atomą, bet su pakeistu sumažinto svorio faktoriu. Naudojamas fundamentaliems QED (kvantinės elektrodinamikos) bandymams.
• Muoniumas — susidaro, kai teigiamas muonas (μ+) pritraukia elektroną. Nors muonas yra elementari dalelė kaip ir elektronas, jo masė yra apie 207 karto didesnė, todėl muoniumo savybės skiriasi nuo įprasto vandenilio.
• Muoniniai atomai — susidaro, kai neigiamas muonas (μ−) pakeičia elektroną orbitoje aplink branduolį. Dėl didesnės muono masės jo trajektorija yra arčiau branduolio, todėl energijos lygiai ir rentgeno pereigos žymiai skiriasi; tokie atomai jautrūs branduolio dydžiui ir struktūrai.
• Pioniniai (pionic) ir kaoniniai atomai — kai elektroną pakeičia mezonas (π ar K). Tokių atomų energijos lygiai labai paveikti stipriųjų branduolinių sąveikų: matomi lygio poslinkiai ir platumai suteikia informacijos apie mezono–branduolio sąveiką.
• Antiprotoniniai atomai — susidaro, kai antiprotonas (p̄) pakeičia elektroną; greitai prasideda anihiliacija su nukleonu, išsiskiria daug secondarinių dalelių. Tokie atomai svarbūs antimaterijos ir CPT simetrijos tyrimams.

Savybės

• Trumpas gyvavimo laikas: dauguma egzotinių atomų nėra stabilūs — jų komponentai žūva arba anihiliuoja per labai trumpą laiką (nuo pikosekundžių iki mikrosekundžių, priklausomai nuo tipo).
• Stipri sąveika su branduoliu: kai į orbitoje esantį dalelę pakeičia sunki dalelė (muonas, pionas), ji orbitoje būna žymiai arčiau branduolio, todėl kvantiniai lygiai pasikeičia ir atsiranda jautrumas branduolio dydžiui bei stipriosioms sąveikoms.
• Spektroskopinės paraiškos: pereigos tarp energijos lygių sukelia charakteringas rentgeno spindulių linijas, kuriomis galima tirti branduolio savybes ir fundamentalius konstantus.
• Didelis sumažintas svoris: pagal Bohr’o modelį, energijos mastas ir orbitų spinduliai priklauso nuo sumažinto masės parametro — sunkesnės dalelės lemia didesnę sąsają su branduoliu ir didesnę jonizacijos energiją.

Kūrimas ir aptikimas

Egzotiniai atomai dažniausiai gaunami naudojant dalelių greitintuvus, sinchronus arba natūralų kosminį spinduliavimą ir radioaktyvų skilimą. Juos aptikti galima keliais būdais:

• matant charakteringas rentgeno pereigas, kai egzotinė dalelė krenta į žemesnius energijos lygius,
• registruojant anihiliacijos fotonus (pvz., 511 keV fotonus iš elektronų–pozitronų anihiliacijos),
• sekmant sklaidytas arba pliūpsnines daleles, susidarančias po anihiliacijos su branduoliu.

Taikymas

• fundamentalūs tyrimai: kvantinės elektrodinamikos patikra, fundamentalių konstantų matavimai, CPT simetrijos testai;
• branduolinės struktūros tyrimai: muoninių ir pionic atomų spektroskopija suteikia tikslius duomenis apie branduolio spindulį ir tankio pasiskirstymą (pvz., muoninėms atomoms priskiriamas ryškus vaidmuo protono spindulio matavimuose);
• medžiagų analizė: muonų arba egzotinių dalelių sąveika su medžiaga naudojama tyrinėti chemines sudėtis ir defektus;
• antimaterijos tyrimai ir galimos ateities technologijos: anihiliacijos fiziką nagrinėja antiprotoniniai ir pozitroniniai atomai.

Išvada: egzotiniai atomai yra vertingas instrumentas fizikoje: nepaisant trumpalaikio pobūdžio, jie atskleidžia informaciją apie fundamentalias sąveikas, branduolio struktūrą ir antimateriją. Eksperimentiniai iššūkiai lieka dideli, tačiau pažanga greitintuvuose ir detektoriuose leidžia vis plačiau naudoti šiuos sistemiškai svarbius konstruktus.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra egzotinis atomas?

K: Koks yra egzotinio atomo pavyzdys?

K: Ką turi pozitronas?

K: Kas yra pozitronas pozitroniuje?

Klausimas: Kodėl daugumą egzotiškų atomų sunku atrasti?

K: Koks yra vidutinis pozitronio pusėjimo laikas?

K: Kiek yra egzotinių atomų rūšių?

Paieška pagal raidę