מואוניום

מואוניום הוא חלקיק דמוי אטום המורכב ממואון חיובי (או אנטימואון) ואלקטרון ‎(µ+e-)‎, שהתגלה לראשונה ב-1960 על ידי ורנון יוז, וניתן לו הסמל הכימי Mu. המואוניום יכול לעבור תגובות כימיות במהלך זמן מחצית החיים של המואון, העומד על 2.19698 מיקרושניות. דוגמה לתגובה כזו היא היצירה של מואוניום כלוריד בתגובה בין מואוניום ומולקולת כלור: Mu + Cl 2 ⟶ MuCl + Cl {\displaystyle {\ce {Mu + Cl2 -> MuCl + Cl}}} תגובה זו, בתנאי לחץ של אטמוספירה אחת וטמפרטורה של 22°C, היא בעלת קבוע קצב תגובה מהיר פי 4.3 מקבוע קצב התגובה המקבילה עם מימן (H) המקביל למואוניום בטמפרטורת החדר. קטיון המואוניום קרוי מואון (‎µ+‎), ויון המואוניום השלילי הוא מואוניד ‎(µ+(e-)2)‎. בשל הפרש המסה בין האנטי-מיואון לאלקטרון (המואון כבד פי 207 מהאלקטרון), המואוניום דומה יותר למימן אטומי ‎(H+e-)‎ מאשר פוזיטרוניום (חלקיק דמוי-אטום המורכב מאלקטרון ופוזיטרון, ‎e+e-‎, בעל הסמל הכימי Ps): רדיוס בוהר (0.05315 ננומטרים) ואנרגיית היינון (13.541 אלקטרון וולט) שלו קרובים הרבה יותר לאלו של איזוטופי המימן פרוטיום (0.05292 ננומטרים, 13.599 אלקטרון וולט), וטריטיום (0.05290 ננומטרים, 13.603 אלקטרון וולט) מאשר לאלו של הפוזיטרון (0.106 ננומטרים, 6.8 אלקטרון וולט), ולכן ניתן להתייחס אליו כאיזוטופ קל אקזוטי של מימן. מואוניום הוא היחיד בקטגוריה שלו כאיזוטופ מימן, מכיוון שהגרעין שלו אינו כולל פרוטונים או נייטרונים אלא אך ורק ממואון חיובי אחד. כמו טריטיום, המואוניום הוא רדיואקטיבי מכיוון שהמואון החיובי בגרעין עובר התפרקות רדיואקטיבית, אבל זמן מחצית החיים שלו קצר הרבה יותר מזה של הטריטיום, העומד על יותר מעשור, ואורך חיים ממוצע של 2.2 מיקרו-שניות בלבד. לאחר זאת, המואון מתפרק תוך פליטת ‎β+‎ באופן הבא: μ + → e + + ν e + ν ¯ μ {\displaystyle \mu ^{+}\rightarrow e^{+}+{\nu }_{e}+{\bar {\nu }}_{\mu }} יחסי המסה בין מואוניום לפרוטיום, דאוטריום וטריטיום הם בקירוב 9,18 ו-27, בהתאמה. לפיכך, אחד התפקידים האפשריים של מואוניום בכימיה יהיה כמדד רגיש ביותר להשפעות תלויות מסה, במיוחד של השפעות איזוטופים קינטיים. מואוניום, כמו טריטיום, הוא רדיואקטיבי. על כן, ניתן לצפות בו דרך תוצרי הדעיכה שלו. ניתן לחקור אותו גם באמצעות תהודה מגנטית מואונית (µSR). מואוניום יכול לשמש לחקר תהליכים של אטומי מימן שאינם ניתנים לצפייה בשיטות קונבנציונליות. שימוש אפשרי נוסף הוא שימוש במואוניום לבדיקה של המבנה המגנטי של חומרים. המנגנון היעיל ביותר לייצור מואוניום, נכון ל-2003, הוא לכידת אלקטרון לאחר עצירת מואון חיובי בגז קריפטון, או ארגון, אשר בו נעשה שימוש בגילוי המואוניום. באופן דומה, מואון שלילי יכול להחליף אלקטרון במסלול 1s של אטום, ובמקרה זה אטום זה נקרא אטום "מואוני": ‎H+µ-‎ הוא "מימן מואוני". החלקיק שנוצר כאשר מואון שלילי מחליף אלקטרון במואוניום ‎(µ+µ-)‎ נקרא מואוניום מואוני, או מואוניום אמיתי. חלקיק זה היה צריך להיקרא מואוניום, שכן הסיומת 'אוניום' באמת הייתה שמורה לרוב לזוגות החלקיקים-אנטי-חלקיקים, בהם הפוזיטרוניום, הקווארקוניום (מזונים המורכבים מקווארק והאנטיקווארק המתאים לו, כמו מזון J/psi ואופסילון), והפאיוניום (חלקיק המורכב מפאיון חיובי ומפאיון שלילי, ‎π+π-‎). באופן מתאים לפרוטיום, דאוטריום וטריטיום, היה צריך לקרוא למואוניום מויום; אבל מכיוון שהמיואון החיובי הוא האנטי-חלקיק (כי מיואונים הם לפטונים) הוא צריך להיות אנטי-מויום. עם זאת, החלקיק הידוע בשם מואוניום, לפי הגדרת IUPAC, הוא ‎µ+e-‎ ולא ‎µ+µ-‎. המואוניום התגלה לראשונה על ידי ורנון יוז בשנת 1960, כאשר נוצר על ידי לכידת אלקטרון על ידי אנטימואון בגז ארגון. שש שנים לאחר מכן, היכולת שלו לשמש כאיזוטופ קל של מימן הועלו על ידי יוז. לאחר מכן, במהלך 1966–1967 נמדדו חלק מקבועי קצב התגובה שלו, על ידי הוספת כמויות ידועות של מגיבים לגז הארגון שבו נוצר המואוניום וקביעת קצב היעלמותו. רדיקלים חופשיים המכילים מואוניום התגלו לראשונה ב-1978, ומבניהם הוסקו בהקבלה לרדיקלי המימן המתאימים. ב-1983, מואונים חיוביים נחקרו בפירוט על ידי תהודה מגנטית בשלושה מצבים כימיים: כחלקיקי מואוניום חופשיים, כמואוניום ברדיקלים חופשיים, או נמצאים במצב דיאמגנטי. האחרון כולל מואונים חופשיים וכל מולקולה דיאמגנטית המשלבת את המיאון, כגון MuH, MuOH, ו-C6H13Mu. D. C. Walker, Muon and Muonium Chemistry, Cambridge University Press, 1983, ISBN 978-0-521-24241-7. (באנגלית) Christopher J. Rhodes, Muonium–the second radioisotope of hydrogen: A remarkable and unique radiotracer in the chemical, materials, biological and environmental sciences, Science Progress 95(2), 2012 doi: 10.3184/003685012X13336424471773 (באנגלית) מואוניום, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) W.H. Koppenol (IUPAC), Names for muonium and hydrogen atoms and their ions, Pure and Applied Chemistry 73, 2001, עמ' 377–380 doi: 10.1351/pac200173020377 Walker, p. 3–5 J. Beringer et al. (Particle Data Group), "Leptons"PR D86, 010001 (2012) (URL: pdg.lbl.gov) V.W. Hughes; et al., Formation of Muonium and Observation of its Larmor Precession, Physical Review Letters 5, 1960, עמ' 63–65 doi: 10.1103/PhysRevLett.5.63 IUPAC, "muonium", Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"), Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson, Online version created by S. J. Chalk, ‏February 24, 2014 (באנגלית) D.G.Fleming et al., The chemical reaction of muonium with Cl2 in the gas phase, Chemical Physics Letters 48, אלסוויר, 1977, עמ' 393-398 doi: 10.1016/0009-2614(77)80341-2 Rhodes, ch. 1. Introduction, p. 2–4 Jungmann, Klaus P., Past, Present and Future of Muonium, n Memory Of Vernon Willard Hughes: Proceedings Of The Memorial Symposium In Honor Of Vernon Willard Hughes, Yale University, USA 14 - 15 November 2003, World Scientific Publishing, 2004, עמ' 134–153 doi: 10.1142/9789812702425_0009 Brodsky, Stanley J.; Lebed, Richard F., Production of the Smallest QED Atom: True Muonium (μ+μ−), Physical Review Letters 102, 213401, 2009 doi: 10.1103/PhysRevLett.102.213401 Walker, p. 12