Со временем школьной физики вы наверняка представляете себе атом как нечто стандартное. В общем-то, примерно так оно и есть. Конструкция, которая нам известна, довольно доверительная - это ядро из протонов и нейтронов, а вокруг него размещены электроны.
Не будет ошибкой сказать, что атом всегда представляет собой симбиоз этих трёх основных частиц. Но оказывается в некоторых экстремальных условиях появляются конструкции, которые похожи на исходный атом только конфигурацией - они включают ядро и окружающие частицы. А вот состав у них уже совсем другой.
На мгновения новый атом собирается из частиц, которые для этого не очень-то и подходят.
Такие явления носят название экзотические атомы и являются странным (иначе не скажешь) состоянием материи. Выглядит это так, как будто природа пробует комбинировать самые разные варианты частиц друг с другом, но не все они могут удержаться близко и система разваливается за доли секунды.
Нам такие системы интересны возможностью проверки той или иной гипотезы. Например, проблема радиуса протона лишний раз выявляется при соединении частиц, отличающихся от нормального атома. Это позволяет проверять логику стандартной модели физики и анализировать допущения. Ведь рассматриваемые закономерности должны выполняться не только для стандартных атомов и должен работать принцип универсальности.
Если вы не то, чтобы много знаете про строение атома и недоумеваете сейчас в чём соль, то для того, чтобы вы как-то перенесли логику восхищения этой картиной на своё восприятие, рассмотрите простой пример. Сейчас перед вами стоит машина из разных металлов и собранная из приготовленных для этого деталей. Представьте, что какая-то волшебная сила вдруг собрала такую же машину из кучи строительного мусора и оно ещё смогло ехать некоторое время. Примерно также физик видит формирование ядра из неподходящих частиц.
Когда появляются экзотические атомы?
В природе экзотические состояния появляются в самых разных нестандартных условиях. Например, когда высокоэнергетичные частицы из космоса сталкиваются с атмосферой Земли, рождаются мюоны, пионы и другие частицы. Они могут образовать краткоживущие экзотические атомы (например, мюоний или пионий).
Вблизи нейтронных звёзд давление и энергия настолько колоссальные, что могут существовать гиперядра (ядра с гиперонами).
Гиперядро - это обычное ядро + гиперон (частица с «странным» кварком, одним из представителей нестандартного варианта кварков). Это как «атомы из параллельной таблицы Менделеева», которых не существуют в природе постоянно, но их можно создавать в ускорителях.
Такие системы в лаборатории создают искусственно, но в природе они, вероятно, есть внутри сверхплотного вещества.
Ещё в первые микросекунды после Большого взрыва существовали «атомоподобные системы» из кварков и глюонов (кварконий). Сейчас они не встречаются свободно, но их рождение моделируют в ускорителях.
Бывают антиатомы, скажем, антиводород. Он в природе почти не встречается, потому что антиматерия мгновенно аннигилирует с материей. Но в космосе, в областях с высокой энергией (например, около чёрных дыр), антиматерия рождается и может на доли секунды образовывать антиатомы.
Ещё есть позитроний. Появляется он спонтанно, когда в веществе рождаются позитроны (например, при радиоактивном распаде калия-40 в земной коре или при грозовых разрядах в атмосфере). На короткое время позитроний может реально существовать прямо «здесь и сейчас» на Земле!
Ну и, само собой, многие из этих состояний получают в лабораториях с целью проведения эксперимента.
Какие бывают экзотические атомы?
Хотя про некоторые варианты мы уже побеседовали, давайте уделим внимание всем.
Антиводород
Начнём, пожалуй, с антиводорода. Если в обычном случае ядро атома водорода состоит из протона и электрона, то тут ухитрились соединиться антипротон (вместо протона) и позитрон (вместо электрона). Как следует из названия - это античастицы или частицы с противоположным зарядом. Так устроена основа логики существования антиматерии. Ученым такие системы интересны, например, для проверки гипотезы влияния гравитации на античастицы. Некоторое время существовала идея, что антиматерия взлетит в гравитационном поле, но недавно доказали на реальном эксперименте, что это не так.
Позитроний
Это, пожалуй, самый необычный атом: ядра у него нет вовсе. Он состоит из электрона и позитрона (античастицы электрона). Оба они кружат вокруг общего центра масс, напоминая миниатюрную «планетную систему». Живёт позитроний всего наносекунды, затем аннигилирует с испусканием гамма-квантов. Учёные используют его для проверки законов квантовой электродинамики.
Мюоний
Мюоний устроен как «водород наоборот»: вместо протона — положительный мюон (тяжёлый родственник электрона), а вместо электрона — обычный электрон. Несмотря на экзотичность, он ведёт себя почти как водород, и потому служит отличным инструментом для проверки точности фундаментальных констант.
Мюонные атомы
Это обычные атомы, где один из электронов заменён мюоном. Мюон тяжелее электрона в 200 раз, поэтому орбита сжимается и частица оказывается очень близко к ядру. Изучая такие системы, физики получают беспрецедентную точность в измерении размеров ядер и заряда протона. Именно на мюонных атомах в своё время вспыхнул «протонный радиусный кризис» — расхождение данных о размере протона.
Пионий
Система из положительного и отрицательного пиона.
Пионы принадлежат к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов) и являются среди них наиболее лёгкими. Они примерно в 7 раз легче протонов и в 270 раз тяжелее электронов
Существование системы недолгое, но даже за это время удаётся изучать, как работают силы, удерживающие кварки внутри частиц.
Каоний
Похожая конструкция, только с каонами. Эти атомы помогают проверять симметрии сильного взаимодействия и расширять модели кварковой материи.
Каон (или K-мезон) — это лёгкий нейтральный или заряженный мезон, содержащий странный кварк.
Антипротонные атомы
Здесь электрон в атоме может быть заменён антипротоном. Когда такой атом образуется (например, в водороде), антипротон «ныряет» в глубину и быстро аннигилирует с ядром. Но даже в эти мгновения учёные получают ключевые данные о взаимодействиях антиматерии и материи.
Гипер-ядерные атомы
Если вместо одного из нуклонов (протона или нейтрона) в ядро «встроить» гиперон (частицу с «странным» кварком), получится гипер-ядерный атом. Такие системы помогают понять, как устроена материя в экстремальных условиях, например в недрах нейтронных звёзд.
А для чего нам всё это?
Даже недолгое существование экзотических атомов открывает перед нами базовую универсальность законов физики во Вселенной и это только кажется, что всё это баловство. Мы уже отметили, что экзотические атомы используются для анализа и проверки того или иного взаимодействия. Помимо этого, есть и ещё кое-что очень важное.
По сути мы можем анализировать, как работают силы, формирующие привычный материальный мир. Природа при этом, как ребенок с лего, перебирает разные варианты и те, что подходят соединяются в базу для вещества. В какой-то степени это может означать, что отдельно существуют силы, а отдельно существует материя и всё это не эмерджентные состояния. Потому и можно взять два протона и попытаться один из них использовать как электрон.
Не знаю как вам, а мне это вновь намекает на теорию симуляции или существование некоторого базового кода для природы, который описывает функцию системы для частиц. Мы пытаемся применить эту функцию к объекту и на доли секунд это получается.
Подборка статей мини-курс "Математика для физика простыми словами"
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями