Εξωτικό άτομο

Ένα εξωτικό άτομο είναι ένα κατά τα άλλα κανονικό άτομο στο οποίο ένα ή περισσότερα υποατομικά σωματίδια έχουν αντικατασταθεί από άλλα σωματίδια του ίδιου φορτίου . Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια μπορούν να αντικατασταθούν από άλλα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια όπως μιόνια (μουονικά άτομα) ή πιόνια (πιονικά άτομα). Επειδή αυτά τα υποκατάστατα σωματίδια είναι συνήθως ασταθή, τα εξωτικά άτομα έχουν τυπικά πολύ μικρή διάρκεια ζωής και κανένα εξωτικό άτομο που έχει παρατηρηθεί μέχρι στιγμής δεν μπορεί να παραμείνει υπό κανονικές συνθήκες.

 Σε ένα μιονικό άτομο (που προηγουμένως ονομαζόταν mu-mesic άτομο, τώρα γνωστό ως εσφαλμένη ονομασία καθώς τα μιόνια δεν είναι μεσόνια ), ένα ηλεκτρόνιο αντικαθίσταται από ένα μιόνιο, το οποίο, όπως το ηλεκτρόνιο, είναι ένα λεπτόνιο . Δεδομένου ότι τα λεπτόνια είναι ευαίσθητα μόνο σε ασθενείς, ηλεκτρομαγνητικές και βαρυτικές δυνάμεις, τα μιονικά άτομα διέπονται με πολύ υψηλή ακρίβεια από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Δεδομένου ότι ένα μιόνιο έχει μεγαλύτερη μάζα από ένα ηλεκτρόνιο, οι τροχιές του Bohr είναι πιο κοντά στον πυρήνα σε ένα μιονικό άτομο παρά σε ένα συνηθισμένο άτομο και οι διορθώσεις λόγω της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής είναι πιο σημαντικές. Η μελέτη των ενεργειακών επιπέδων μιονικών ατόμων καθώς και των ρυθμών μετάβασης από τις διεγερμένες καταστάσεις στη θεμελιώδη κατάσταση παρέχει επομένως πειραματικές δοκιμές της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής. Η καταλυόμενη από μιόνιο σύντηξη είναι μια τεχνική εφαρμογή των μυονικών ατόμων. Το σύμβολο 4.1 H (Υδρογόνο-4.1) έχει χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει το εξωτικό άτομο μιονικό ήλιο ( 4 He-μ), το οποίο είναι σαν το ήλιο-4 που έχει 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια . Ωστόσο, ένα από τα ηλεκτρόνια του αντικαθίσταται από ένα μιόνιο, το οποίο έχει επίσης φορτίο –1. Δεδομένου ότι το τροχιακό του μιονίου είναι πολύ κοντά στον ατομικό πυρήνα, αυτό το μιόνιο μπορεί να θεωρηθεί ως μέρος του πυρήνα. Το άτομο έχει τότε έναν πυρήνα με 2 πρωτόνια, 2 νετρόνια και 1 μιόνιο, με ολικό πυρηνικό φορτίο +1 (από 2 πρωτόνια και 1 μιόνιο) και μόνο ένα ηλεκτρόνιο έξω, έτσι ώστε να είναι ουσιαστικά ισότοπο υδρογόνου αντί για ισότοπο ήλιου. Το βάρος ενός μιονίου είναι περίπου 0,1 amu, επομένως η ισοτοπική μάζα είναι 4,1. Δεδομένου ότι υπάρχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο έξω από τον πυρήνα, το άτομο υδρογόνου-4.1 μπορεί να αντιδράσει με άλλα άτομα. Η χημική του συμπεριφορά είναι αυτή ενός ατόμου υδρογόνου και όχι ενός ευγενούς ατόμου ηλίου. Το μόνο ραδιενεργό μέρος του ατόμου είναι το μιόνιο. Επομένως, το άτομο διασπάται με τον χρόνο ημιζωής του μιονίου, 1,52 μικροδευτερόλεπτα (1,52×10 −6 δευτερόλεπτα). Ένα αδρονικό άτομο είναι ένα άτομο στο οποίο ένα ή περισσότερα από τα τροχιακά ηλεκτρόνια αντικαθίστανται από ένα αρνητικά φορτισμένο αδρόνιο . Τα πιθανά αδρόνια περιλαμβάνουν μεσόνια όπως το πιόνιο ή το καόνιο, που παράγουν ένα πιονικό άτομο ή ένα καονικό άτομο (βλέπε Καονικό υδρογόνο ), που ονομάζονται συλλογικά, μεσωνικά άτομα . αντιπρωτόνια, που αποδίδουν ένα αντιπρωτονικό άτομο . και το σωματίδιο Σ−, που αποδίδει ένα Σ− ή σιγμαονικό άτομο . Σε αντίθεση με τα λεπτόνια, τα αδρόνια μπορούν να αλληλεπιδράσουν μέσω της ισχυρής δύναμης, έτσι τα τροχιακά των αδρονικών ατόμων επηρεάζονται από τις πυρηνικές δυνάμεις μεταξύ του πυρήνα και του αδρονίου. Δεδομένου ότι η ισχυρή δύναμη είναι μια αλληλεπίδραση μικρής εμβέλειας, αυτά τα φαινόμενα είναι ισχυρότερα εάν το εμπλεκόμενο ατομικό τροχιακό βρίσκεται κοντά στον πυρήνα, όταν τα ενεργειακά επίπεδα που εμπλέκονται μπορεί να διευρυνθούν ή να εξαφανιστούν λόγω της απορρόφησης του αδρονίου από τον πυρήνα. Τα αδρονικά άτομα, όπως το πιονικό υδρογόνο και το καονικό υδρογόνο, παρέχουν έτσι πειραματικούς ανιχνευτές της θεωρίας των ισχυρών αλληλεπιδράσεων, της κβαντικής χρωμοδυναμικής . Ένα όνιο (πληθυντικός: όνια ) είναι η δεσμευμένη κατάσταση ενός σωματιδίου και του αντισωματιδίου του. Το κλασικό ώνιο είναι το positronium, το οποίο αποτελείται από ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο συνδεδεμένα μεταξύ τους ως μετασταθερή κατάσταση, με σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής 142 ns στην τριπλή κατάσταση. Το ποζιτρόνιο έχει μελετηθεί από τη δεκαετία του 1950 για την κατανόηση των δεσμευμένων καταστάσεων στην κβαντική θεωρία πεδίου. Μια πρόσφατη εξέλιξη που ονομάζεται μη σχετικιστική κβαντική ηλεκτροδυναμική (NRQED) χρησιμοποίησε αυτό το σύστημα ως βάση απόδειξης. <u>Το Pionium</u>, μια δεσμευμένη κατάσταση δύο αντίθετα φορτισμένων πιονίων, είναι χρήσιμο για την εξερεύνηση της ισχυρής αλληλεπίδρασης . Αυτό θα πρέπει να ισχύει και για το protonium, το οποίο είναι η δεσμευμένη κατάσταση ενός προτονίου-αντιπροτονίου. Η κατανόηση των δεσμευμένων καταστάσεων του pionium και του protonium είναι σημαντική προκειμένου να διευκρινιστούν οι έννοιες που σχετίζονται με τα εξωτικά αδρόνια, όπως τα μεσωνικά μόρια και οι καταστάσεις πεντακουάρκ. Το Kaonium, το οποίο είναι μια δεσμευμένη κατάσταση δύο αντίθετα φορτισμένων καονίων, δεν έχει παρατηρηθεί ακόμα πειραματικά. Τα αληθινά ανάλογα του positronium στη θεωρία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων, ωστόσο, δεν είναι εξωτικά άτομα αλλά ορισμένα μεσόνια, οι καταστάσεις του κουαρκόνιου, τα οποία αποτελούνται από ένα βαρύ κουάρκ όπως το charm ή το bottom κουάρκ και το αντικουάρκ του. (Τα Top κουάρκ είναι τόσο βαριά που διασπώνται μέσω της ασθενούς δύναμης πριν μπορέσουν να σχηματίσουν δεσμευμένες καταστάσεις. ) Η εξερεύνηση αυτών των καταστάσεων μέσω της μη σχετικιστικής κβαντικής χρωμοδυναμικής (NRQCD) και του πλέγματος QCD είναι όλο και πιο σημαντικές δοκιμές της κβαντικής χρωμοδυναμικής . Το Muonium, παρά το όνομά του, δεν είναι ένα ώνιο που περιέχει ένα μιόνιο και ένα αντιμιόνιο, επειδή η IUPAC έδωσε αυτό το όνομα στο σύστημα ενός αντιμιονίου δεσμευμένο με ένα ηλεκτρόνιο. Ωστόσο, η παραγωγή μιας δεσμευμένης κατάστασης μιονίου-αντιμουόνιου, η οποία είναι ένα όνιο (που ονομάζεται αληθινό μουόνιο ), έχει θεωρηθεί. Τα άτομα μπορεί να αποτελούνται από ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από έναν υπερπυρήνα που περιλαμβάνει παράξενα σωματίδια που ονομάζονται υπερόνια . Τέτοια υπερπυρηνικά άτομα μελετώνται γενικά για την πυρηνική τους συμπεριφορά, εμπίπτοντας στο τομέα της πυρηνικής φυσικής και όχι της ατομικής φυσικής . Σε συστήματα συμπυκνωμένης ύλης, συγκεκριμένα σε ορισμένους ημιαγωγούς, υπάρχουν καταστάσεις που ονομάζονται εξιτόνια οι οποίες είναι δεσμευμένες καταστάσεις ενός ηλεκτρονίου και μιας ηλεκτρονιακής οπής . Ένα εξωτικό μόριο περιέχει ένα ή περισσότερα εξωτικά άτομα. Δι-positronium, δύο δεσμευμένα άτομα positronium Υδρίδιο του positronium, άτομο positronium συνδεδεμένο με άτομο υδρογόνου Χλωριούχο muoniumΤο "εξωτικό μόριο" μπορεί επίσης να αναφέρεται σε ένα μόριο που έχει κάποια άλλη ασυνήθιστη ιδιότητα, όπως ένα πυραμιδικό εξαμεθυλοβενζόλιο#Διαγωγή και ένα άτομο Rydberg . Αντιυδρογόνο Αντιπρωτονικό ήλιο Καονικό υδρογόνο Δικτυακό QCD Muonium Pionium Positronium Κβαντική χρωμοδυναμική Κβαντική ηλεκτροδυναμική Κουαρκόνιο