奇异原子

**奇異原子**通常是指與一般原子構成不同的原子，普通的原子是由電子 e、質子 p 和中子 n 這三種長壽的粒子構成，但奇異原子卻是以其他的粒子代替這三種穩定粒子中的一個或多個，通過電磁相互作用構成。

## 性質

舉例來說，普通的原子中的一個電子被其它帶負電的粒子，如 µ-、π-等替代；或是原子核裡的一個質子被其它帶正電的粒子，如 e+、µ+ 等替代而形成的原子；或是普通原子的電子和原子核中的質子兩者同時被替代，如 e+ 和 p 組成的反氫，1970 年 E.H.S. 博霍普將它們稱為**奇特原子**或**奇異原子**。能夠形成奇異原子的不穩定粒子除了 e+、µ±、π± 外，還有 τ±、K± 介子、D± 介子、反質子 p、反中子 n 和超子 Λ、Σ±、Ξ-、Ω-等。

這些粒子都是在高能作用中產生的，除 τ±、D± 介子外，這些粒子的壽命都大於電磁相互作用引起的轉化與躍遷過程的特徵時間（10-11 秒），這樣就有足夠的時間在它們衰變之前形成奇異原子。因為所有替代粒子都是不穩定的，所以這些奇異原子的半衰期都很短，它們的壽命最長不會超過形成奇異原子的不穩定粒子在真空中的固有壽命，如（_τ_μ≈2.2×10-6 秒，_τ_π≈2.6×10-8 秒）。正電子本身雖然是穩定的，但與電子相遇會發生電子正電子湮沒，電子偶素（e-e+）的壽命約為 10-7～10-10 秒。

由帶負電荷的粒子如 µ-或 π-、K-替換原子中的一個或多個電子組成的奇異原子就稱為 µ 子原子、π 介子原子、K 介子原子等。由帶負電荷的粒子替換原子中的一個或多個電子可以組成奇異原子。包含 µ-的 µ 子原子，包含 π-、K-等介子的 π 介子原子、K 介子原子（介原子 mesonic atom），包含反質子 p 的反質子原子（antiprotonic atom），包含 Σ-、Ξ-、Ω-等超子的 Σ 超子原子、Ξ 超子原子、Ω 超子原子（超子原子 Hyperon atom）。K 介子氫原子中，一個 K-介子在軌道上繞質子旋轉，類似於氫原子中一個電子繞質子旋轉，K 介子氘原子的則是一個 K-介子和兩個質子組成。

不同於輕子，強子之間有強相互作用，通過強相互作用強子對原子能級產生影響，強子軌道很低，可能會被原子核俘獲吸收，成為深度束縛。強子原子（Hadronic atoms），如 π 介子氫原子和 K 介子氫原子，可以為將強相互作用作為探測器探討量子色動力學理論。

µ 子原子 muonic atom 中 μ 子取代電子，μ 子同電子一樣是一個輕子。輕子之間只有弱相互作用力、電磁力和引力，µ 子原子對電磁相互作用很靈敏。μ 子原子比其它奇異原子的壽命長百倍，因為 μ 子質量為電子的 207 倍，根據庫侖定律它的外層軌道也比電子外層軌道尺寸小 207 倍，因此原子直徑相應地也要小 207 倍，它的內層軌道可能會穿過原子核，一旦被原子核俘獲會形成 μ 子分子，這對於研究物質結構、固體物理學和核化學有重要的意義。μ 子催化融合是一個 μ 子原子的技術性應用。

電子與質子形成氫原子，也能與中子以類似離子的形態呈現，電子、μ 子及 τ 子也可以繞 π+ 介子或 Σ+ 超子旋轉，這些束縛態的結構都類似氫原子。

偶素（onium; onia）是粒子及其反粒子的束縛態，英文命名是在該粒子名後加後綴 - ium。如典型的電子與正電子的束縛態電子偶素 positronium（e+e-）化學符號是 Ps，1950 年對電子偶素進行了研究發現，非相對論量子電動力學（NRQED）可以為此提供理論支持。

π 介子偶素 pionium，兩種相反電荷的 π 介子的束縛態，為探索強相互作用時值得注意。K 介子偶素 Kaonium，兩種相反電荷的 K 介子的束縛態。質子偶素 Protonium，符號 Pn，正反質子的的束縛態，也是應該存在的。具有強相互作用的電子偶素的類似物，不是奇異原子的夸克偶素 quarkonium，也就是某些介子（同一夸克和反夸克組成），通過對重夸克如粲夸克或底夸克（頂夸克質量很大，在通過弱相互作用衰變前很短時間內才能形成束縛態）組成的夸克偶素介子的研究，是對量子色動力學的非相對論量子色動力學（NRQED）和點陣量子色動力學（lattice QCD）越來越重要的考驗。

（µ+e-）稱為 muonium，它的化學符號分別是 Mu，被譯為緲子偶素。儘管它的名稱是偶素，但它不是 μ+ 和 µ-的束縛態，而是 µ+ 和 e-組成，它的名稱由 IUPAC 制定。反緲子偶素（或反 µ 子素 Antimuonium）M=µ-e+。

了解的強子的束縛態，如 π 介子偶素 pionium 和質子偶素 protonium 也很重要，可以澄清相關的概念，奇異強子 exotic hadron，如介子分子 mesonic molecules 和五夸克態 pentaquark。

奇異原子有時也能形成分子，像緲子偶素（μ+e−或 Mu）的半衰期只有兩微秒，但科學家已經可以合成氯化緲子偶素（MuCl）和緲子偶素化鈉（NaMu）。

各種強子可以組成多種束縛態，類似原子核的結構，理論認為輕子也可以繞雙強子或多強子束縛態旋轉。超核，原子由電子和含超子的原子核組成，包含奇異量子數的粒子稱為超子。一般在核物理學的範圍內研究超核。

大多數奇異原子都是類氫原子（hydrogen-like atom），及是只擁有一個電子的原子，與氫原子同為等電子體，又稱為類氫離子。類氫原子只含有一個原子核與一個電子，是個簡單的二體系統，系統內的作用力只跟二體之間的距離有關，是反平方連心力。最典型的是里德伯原子（Rydberg atom），是指具有高激發態電子（主量子數 n 很大）的原子。里德伯原子中只有一個電子處於很高的激發態，離原子實（原子核和其餘的電子）很遠，原子實對這個電子的庫侖作用可視為一個點電荷的庫侖作用，因此可以將里德伯原子看作類氫原子。還可以組成里德伯分子（Rydberg molecule），還可以出現一種特殊相態里德伯極化子（Rydberg polaron）。

雙電子原子（two-electron atom）又稱為類氦離子（helium-like ion），是由一個帶電荷的原子核和兩個電子組成的量子力學系統，這是多電子系統的第一個例子，泡利不相容原理在其中起著中心作用。

前沿理論大統一理論（GUTs）、弦理論和 M - 理論都包含了磁單極子的解，有些理論計算發現磁單極子自身或與費米子可以組成束縛態。與電子類似磁單極子分為兩種分別帶有北磁荷和南磁荷，正反磁單極子在光子型強耦合下可以形成高自旋的 Z 介子。在某些天體上會有兩種存在形式磁中性原子和磁荷電漿體，帶正電的磁單極子可以和電子組成束縛態磁氫（monople hydrogen atom），一種磁中性類氫原子。磁中性粒子磁荷庫侖力很強，磁氫解離能很高，磁荷電漿只能在很高的溫度下存在。雙荷子（dyon）同時帶有磁荷和電荷，可以組成雙荷子偶素（dyonium）。費米子除具有電荷外，還有自旋磁矩，因而受到磁單極子的雙重作用，及磁場對運動電荷的洛倫茲力和對磁矩的吸力，重子大都具有較大的反常磁矩，可以與磁單極子形成束縛態成為磁單極子為核，重子繞它轉動的奇異原子。磁單極子一般認為比較重，當進入原子時會將原子核俘獲，相當於一個荷電粒子（或磁單極子）繞一個靜止的磁單極子（荷電粒子）運動。

准粒子原子，在凝聚態系統中，特別是在某些半導體中，有一種叫做激子的狀態，它是電子和空穴的束縛態。

## 發現

1940 年中國物理學家張文裕在雲室中了發現 µ-子原子能級之間躍遷時發出的特徵光子，最早發現了由 µ-取代普通原子中一個電子 e-形成的 µ 子原子這一奇異原子。1951 年發現了電子偶素。1952 年卡馬克證實了 π 介子原子發出的 X 射線，發現了由 π-介子圍繞原子核旋轉的 π 介子原子。1960 年休斯發現了電子 e-圍繞 μ+ 旋轉的 μ 子素，又發現了用正電子 e+ 圍繞 μ-旋轉的反 μ 子素，從而大大拓寬了奇異原子的類型。

後來又發現了 K-介子圍繞原子核旋轉的 K 介子原子，1970 年發現了由反質子 p、超子 Σ-、Ξ-圍繞原子核旋轉組成的超子原子類型的奇異原子。

## 研究

正電子 e+ 主要來源於 β+ 衰變的核素，其它幾種粒子需要用中高能粒子加速器產生，一般都是用俘獲法或重粒子衰變法產生奇異原子：

* 把高能加速器中產生的高速運動的粒子慢化到俘獲或被俘獲截面很大的狀態，使得帶負電的粒子取代原子中的電子被原子核捕獲（如 µ-子原子），或者帶正電的粒子捕獲電子（如 μ+e-原子）形成奇異原子；
* 利用重粒子的衰變直接產生奇異原子〔如 K0L<→(πμ)+v〕。

奇異原子的性質與組成它的粒子的性質有密切關係，因此是原子物理和高能物理兩個領域共同研究的對象。形成奇異原子時，負粒子被捕獲在高激發態軌道上，隨後的躍遷過程放出一系列 X 射線，µ 子原子釋放的 X 射線稱為 µ 子 X 射線。研究這類奇異原子主要靠測量這些 X 射線。奇異原子可以作為研究很多基本問題的「實驗室」。可用以檢驗除狄拉克方程以外的其他方程；研究庫侖力與靜電力的偏離、原子核的大小效應等；利用 μe 原子這種輕子原子驗證電弱統一理論；利用奇異原子的形成和衰變以及原子能級之間的移動和躍遷，測量生成這些奇異原子的粒子的基本量和其性質；利用原子能級躍遷值精確測定 μ 子、K 介子、π 介子、超子等粒子的質量。

奇異原子有些是由負粒子 µ 子及介子或超子等強子組成，質量、結合能比電子大兩到三個數量級，有著不同的自旋。奇異原子與普通原子相比有以下特點：

* 量子數相同時，軌道半徑與軌道上粒子的質量成反比，奇異原子半徑會比普通原子的小兩到三個數量級；
* 軌道能級與軌道上粒子的質量成正比，能級躍遷時能量比電子躍遷能高几百至幾千倍；
* 具有多種不同的自旋角動量；
* 基態不穩定，奇異原子會因為其中壽命較短的不穩定粒子中衰變而解體，或因為其「電子」與「核」碰到一起而衰變。

1960 年代初發現物質的化學性質對奇異原子釋放的介子 X 射線譜的結構有影響，還發現一系列金屬氧化物捕獲 µ-的機率比（=Z/8）隨金屬原子序數 Z 呈周期性的變化，其最小值從元素周期表的開始處出現，進而推斷化學鍵類型對奇異原子的形成和衰變有一定影響。到 60 年代中期，從實驗上肯定了奇異原子的形成機率與衰變方式同化學環境有著密切聯繫，由此發展出奇異原子化學這一新的研究領域。

奇異原子化學是粒子物理學與核化學相交叉的邊緣學科。這一研究主要有兩方面，首先是找出物質化學結構影響奇異原子形成與衰變的規律，其次是通過觀測奇異原子的形成與衰變來獲取有關的化學結構和化學反應動力學的新數據，這為我們提供了一種研究分子電子結構和材料化學的性質的新途徑。

電子偶素和 µ 子素都是類氫原子，µ+ 質量是 e+ 的 207 倍，所以 µ 子素更像氫原子，它們都有具有特徵的短壽命，可以作為氫的示蹤劑。π-被氫原子浮獲後與氫核發生特徵的電荷交換反應 π-+p→n+π0，π0 接著又釋放出 2 個光子，以此鑑定材料中的氫元素其他元素干擾極小。氫的化學狀態強烈地影響 π 介子原子的形成。奇異原子化學中一個頗具實用價值的課題就是利用 µ+、π-介子研究含氫材料的化學性質和氫鍵特徵。

## 著名的奇異原子

* 電子偶素（由正子和電子構成）
* 雙電子偶素（由兩個電子偶素構成的分子）
* 氫化電子偶素（由氫原子和電子偶素構成的分子）
* 緲子偶素（由反緲子和電子構成）
* K 介子原子（由 K 介子和質子構成）
* 反氫（由正電子和反質子構成）
* 反氦

## 奇異原子列表

### 輕子束縛態

* 電子偶素（Positronium）或稱正子素，化學符號是 Ps
  * 單態電子偶素（para-Positronium）（p-Ps）
  * 三態電子偶素（ortho-Positronium）（o-Ps）
  * 電子偶素負離子 (Ps-) 是兩個電子和一個正電子組成的庫侖三體系統
  * 氫化電子偶素（Positronium hydride），化學式為 PsH
  * 雙電子偶素（Di-positronium），化學式為 Ps2
* 緲子偶素（Muonium）或稱 μ 子素，化學符號是 Mu，電子繞正 μ 子旋轉
* 反緲子偶素（Antimuonium）或反 μ 子素，正電子繞負 μ 子旋轉
* 真緲子偶素（true Muonium）正反 μ 子束縛態
* 陶子偶素（Tauonium）或稱 τ 子素，電子繞正 τ 子旋轉
* 反陶子偶素（Antitauonium）或反 τ 子素，正電子繞負 τ 子旋轉
* 真陶子偶素（true Tauonium）正反 τ 子束縛態
* 緲陶子偶素（Muo-Tauonium）μ 子繞正 τ 子旋轉
* 反緲陶子偶素（Anti-Muo-tauonium）正 μ 子繞負 τ 子旋轉

### 輕子原子

* μ 原子（mu atom）μ 子繞原子核旋轉
  * μ 氫原子（hydrogen muon atom）μ 子與氫原子核（質子）構成的原子
  * 氫 - 4.1 或稱 μ 氦核原子（The neutral muonic helium atom）氦 - 4 原子的一個電子由緲子取代，緲子比較重，所以原子核由 1 個緲子、2 個質子和 2 個中子組成、外側只有一個電子，因此可以視為一種氫的同位素，1 個緲子重約 0.113 原子質量單位，故名氫 - 4.1 (4.1H)，這種原子可與其他元素反應，其行為更像一個氫原子而不是像氦原子
* τ 原子（tau atom）τ 子繞原子核旋轉
* 輕子中子對
  * 中子電子對（neutron-electron pair ,n-e）中子和電子能以類似離子的形態呈現，理論上也存在中子 μ 子對，π0 介子電子對和 Λ 超子電子對等形式。
* 介子素
  * π 介子素 電子繞 π+ 介子旋轉
  * K 介子素 電子繞 K+ 介子旋轉
* 超子素
  * Σ 超子素 電子繞 Σ+ 超子旋轉
  * Ξ 超子素 電子繞 Ξ+ 超子旋轉
  * Ω 超子素 電子繞 Ω+ 超子旋轉

### 磁單極原子

* Z 介子（Z Meso）高自旋的正反磁單極子束縛態
* 雙荷子偶素（dyonium）兩個雙荷子（dyon）束縛態
* 磁氫（monople hydrogen atom）磁中性類氫原子，正電的磁單極子和電子的束縛態
* 磁單極子與重子的束縛態，磁單極子為核，重子繞它轉動
  * 荷電重子與磁單極子束縛態，如質子
  * 中性粒子與磁單極子束縛態，如中子
* 磁單極子與原子核的束縛態，一個荷電粒子（或磁單極子）繞一個靜止的磁單極子（荷電粒子）運動。

### 雙強子原子

* 介子原子（mesonic atom）
  * π-原子 負 π 介子繞原子核旋轉
  * K-原子 負 K 介子繞原子核旋轉
    * K-氫原子或稱 K 介子原子（Kaonic hydrogen）
    * K-氘原子 一個 K-介子和兩個質子組成
* 雙介子原子（dimeson atom）
  * π+K-原子
  * π-K+ 原子
  * 介子偶素（mesonium）
    * π 介子偶素（Pionium）π+π-原子（記為 A2π）
    * K 介子偶素（Kaonium）K+K-原子
* 重子原子（baryonic atom）
  * 質子偶素（Protonium），符號 Pn，正反質子的的束縛態
  * 反質子原子（antiprotonic atom）反質子（帶負電荷的質子）繞原子核旋轉
    * 反質子氫（Antiprotonic hydrogen）
    * 反質子氦（Antiprotonic helium）
  * 超子原子（Hyperon atom）
    * Σ-原子 負 Σ 超子繞原子核旋轉
    * Ξ-原子
    * Ω-原子

### 強子分子態（hadron molecules）

由兩個或兩個以上重子通過強相互作用結合形成

* 介子分子（Mesonic molecule）
  * 介子偶素（mesonium）正反介子對
  * 雙介子態（Dimeso）四夸克態的一種可能形式
* 重子分子（baryonic molecules）
  * 重子偶素（Baryonium）正反重子對
  * 雙重子態（Dibaryo）NN（氘），H 雙重子，ΩΩ（雙 Ω 粒子）
  * 重子介子分子（baryonic-mesonic molecules）五夸克態的一種可能形式

### 核束縛態

* 介子核（Mesonucleus）原子核含有介子
  * π 介子核
  * η 介子核
  * K 介子核
  * 重味介子核
* 超核（Hypernucleus）原子核含有超子，具有奇異量子數
  * Λ 超核
  * 雙 Λ 超核
  * Σ 超核
  * Ξ 超核
  * Ω 超核
  * 多奇異數超核
  * 重味超核

### 反物質（Antimatter）

* 反氫（antihydrogen）H
* 反氘（D）
* 反氚（T）
* 反氦（He）
* 反氦 4（4He）（目前發現最重反物質）
* 反 Λ 超氚（antihypertriton）

## 參考文獻

### 引用

### 來源

* E.Fluch and V.I.Goldanskii, _et al._, ed., Modern Physics in Chemistry, Vol.1, Academic Press, London, 1976.