אטומים אקזוטיים

אטום אקזוטי הוא אטום שבו חלקיק תת-אטומי אחד או יותר הוחלפו בחלקיקים מסוג אחר. כך לדוגמה, אלקטרונים עשויים להיות מוחלפים בחלקיקים טעונים שלילית אחרים כגון מיואונים (אטומים מיואוניים) או פיונים (אטומים פיוניים).§1.8, Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles, Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, and Wilhelm Raith, Berlin: Walter de Gruyter, 1997, . מכיוון שהחלקיקים המחליפים בדרך כלל אינם יציבים, אורך חייהם של האטומים האקזוטיים בדרך כלל קצר מאוד ואטומים אקזוטיים שנצפו עד כה לא יכולים להתקיים בתנאים רגילים.

 אטום מיואוני 
טקסט=Hydrogen 4.1 picture|ממוזער| הליום מיואוני, מורכב מ-2 פרוטונים, 2 נייטרונים, מיאון אחד ואלקטרון אחד.
באטום מיואוני (נקרא בעבר אטום מיו-מזי, אך כיום ידוע כי הכינוי מטעה מכיוון שמיואונים אינם מזונים ), אלקטרון מוחלף במיואון השייך, כמו האלקטרון, לקבוצת הלפטונים. מכיוון שלפטונים מושפעים רק מכוחות אלקטרומגנטיים, כוחות חלשים וכוחות כבידה, אטומים מיואוניים נשלטים בעיקר על ידי האינטראקציה האלקטרומגנטית.

מכיוון שמסתו של המיואון גדולה יותר מאלקטרון, מסלולי בוהר קרובים יותר לגרעין באטום מיואוני מאשר באטום רגיל, ועקב כך תיקונים עקב אלקטרודינמיקה קוונטית הופכים חשובים יותר. משום כך, חקר רמות האנרגיה של אטומים מיואוניים, כמו גם חקר קצב המעבר ממצבים מעוררים למצב יסוד, עשויים לסייע בתכנון ניסויים בתחום האלקטרודינמיקה הקוונטית.

אטומים מיואוניים אחרים יכולים להיווצר כאשר מיואונים שליליים מקיימים אינטראקציה עם אטום רגיל. המיואון באטומים מיואוניים יכול להתפרק או להילכד על ידי פרוטון. לכידת מיואונים משמעתית קימת באטומים מיואונים כבדים יותר, ומקצרת את חיי המיואון מ-2.2 מיקרו-שניות ל-0.08 בלבד מיקרו-שניות.

 מימן מיואוני 
מימן מיואוני הוא אטום הדומה למימן רגיל, כאשר האלקטרון מוחלף על ידי מיואון שלילי - כלומר, מיואון הסובב פרוטון.

אטומי מימן מיואוניים יכולים ליצור מולקולות מימן מיואוניות. המרווח בין הגרעינים במולקולה כזו קטן בסדר גודל של מאות מזה של מולקולת מימן רגילה - כה קרוב עד שהגרעינים יכולים להתמזג יחד באופן ספונטני. תהליך זה מכונה היתוך מזורז מיואונים, ונצפה לראשונה בין גרעיני מימן-1 וגרעיני דאוטריום בשנת 1957. היתוך מזורז מיואונים הוצע כאמצעי לייצור אנרגיה באמצעות תגובות היתוך בכור בטמפרטורת החדר.

 הליום מיואוני (מימן-4.1) 
הסימון 4.1 H (מימן-4.1) שימש לתיאור האטום האקזוטי הליום מיואוני (4He -μ), הדומה להליום-4 בכך שיש לו שני פרוטונים ושני נייטרונים, ואחד האלקטרונים שלו מוחלף על ידי מיאון, שגם לו מטען שלילי של 1-. מכיוון שרדיוס המסלול של המואון קטן פי למעלה מ-200 מרדיוס המסלול של האלקטרון (בשל יחס המסה), ניתן להתייחס מבחינות מסוימות למואון כחלק מהגרעין. מנקודת מבט כזו, לאטום יש אז גרעין עם שני פרוטונים, שני נייטרונים ומיואון אחד, עם מטען גרעיני כולל של 1+ (שני פרוטונים ומיואון אחד) ורק אלקטרון אחד במסלול חיצוני רחוק בהרבה, וניתן לראות בו איזוטופ של מימן במקום איזוטופ של הליום. משקלו של מיאון הוא בערך  דלטון, ומסת האיזוטופ היא 4.1. מכיוון שיש רק אלקטרון אחד מחוץ לגרעין הכולל את המיואון, אטום המימן-4.1 יכול להגיב עם אטומים אחרים. התנהגותו הכימית אכן דומה יותר לזו של אטום מימן מאשר להתנהגותו האינרטית של אטום הליום.

 אטום האדרוני 
אטום האדרוני הוא אטום שבו אחד או יותר מהאלקטרונים מוחלפים בהדרון בעל מטען שלילי. האדרונים אפשריים כוללים מזונים - ליצירת אטומים מזוניים - האלקטרון מוחלף במזון כמו פיון או קאון, היוצרים אטום פיוני או אטום קאוני; אנטי-פרוטונים, המניבים אטום אנטי-פרוטוני ; וחלקיק ⁻Σ, ליצירת אטום סיגמאוני .p. 180, Quantum Mechanics, B. K. Agarwal and Hari Prakash, New Delhi: Prentice-Hall of India Private Ltd., 1997. .

בניגוד ללפטונים, האדרונים יכולים להשפיע זה על זה באמצעות הכוח החזק, כך שהאורביטלים של אטומים הדרוניים מושפעים מכוחות גרעיניים בין הגרעין להדרון. מכיוון שהכוח החזק הוא אינטראקציה קצרת טווח, השפעות אלו הן החזקות ביותר אם האורביטל האטומי המעורב קרוב לגרעין, כאשר רמות האנרגיה המעורבות עשויות להתרחב או להיעלם עקב בליעת ההדרון על ידי הגרעין. אטומים הדרוניים, כגון מימן פיוני ומימן קאוני, מספקים אפוא בדיקות ניסיוניות לתאוריית האינטראקציות החזקות, כרומודינמיקה קוונטית.

 אוניום 
אוניום הוא מצב בו קשורים חלקיק ואנטי-חלקיק שלו. האוניום הקלאסי הוא פוזיטרוניום, המורכב מאלקטרון ופוזיטרון הקשורים יחד במצב מטא-סטבילי, עם אורך חיים ארוך יחסית של 142 ננו-שניות במצב טריפלט. פוזיטרוניום נחקר מאז שנות ה-50 כדי להבין מצבים קשורים בתורת השדות הקוונטיים. פיתוח עדכני בשם אלקטרודינמיקה קוונטית לא רלטיביסטית (NRQED) השתמש במערכת זו כבסיס לבדיקה.

פיוניום, מצב קשור של שני פיונים בעלי מטען מנוגד, שימושי לחקר האינטראקציה החזקה. הבנת המצבים הקשורים של פיוניום ופרוטוניום (פרוטון הקשור לאנטי פרוטון) חשובה על מנת להבהיר מושגים הקשורים להדרונים אקזוטיים כגון מולקולות מזוניות ומצבי פנטקווארק. קאוניום, שהוא מצב קשור של שני קאונים בעלי מטען מנוגדי, טרם נצפה בניסוי.

האנלוגים של פוזיטרוניום בתורת האינטראקציות החזקות אינם אטומים אקזוטיים אלא מזונים מסוימים, מצבי קווארקוניום, המורכבים מקווארק כבד כמו הקווארק הקסום או הקווארק התחתון והאנטיקווארק שלו. (קווארקים עליונים הם כה כבדים שהם דועכים תחת הכוח החלש לפני שהם יכולים ליצור מצבים קשורים.) חקירת מצבים אלה באמצעות כרומודינמיקה קוונטית לא-רלטיביסטית (NRQCD) ו־QCD היא בעלת חשיבות בכרומודינמיקה קוונטית .

מואניום, למרות שמו, אינו מצב אוניום המכיל מואון ואנטימואון, אלא מערכת של אנטימואון הקשור לאלקטרון. עם זאת, הועלתה תיאוריה על היווצרות של מצב קשור מיואון-אנטימיואון, שהוא אוניום (הנקרא מיואוניום אמיתי). אותו הדבר חל גם על אטום QED אקזוטי מסוג דיטאווניום (או "טאווניום אמיתי") .

 אטום היפר-גרעיני 
אטומים עשויים להיות מורכבים מאלקטרונים המקיפים היפר-גרעין הכולל חלקיקים מוזרים הנקראים היפרונים. באטומים היפר-גרעיניים כאלה נחקרת בדרך כלל ההתנהגותם הגרעינית, תחת תחום הפיזיקה הגרעינית ולא הפיזיקה האטומית.

 אטומי קוואזי-חלקיקים 
במערכות של חומר מעובה, ובמיוחד בחלק מהמוליכים למחצה, ישנם מצבים הנקראים אקסיטונים, שהם מצבים קשורים של אלקטרון ו"חור אלקטרון" .

 מולקולה אקזוטית 
מולקולה אקזוטית מכילה אטום אקזוטי אחד או יותר.
 די-פוזיטרוניום, שני אטומי פוזיטרוניום קשורים
 פוזיטרוניום הידריד, אטום פוזיטרוניום הקשור לאטום מימן

השם "מולקולה אקזוטית" מתייחס לעיתים גם למולקולות בעלות תכונה לא שכיחה, כגון הקסמתילבנזן פירמידלי  ואטום רידברג .

 הערות שוליים 

קטגוריה:פיזיקת חלקיקים