В комментариях под моими видео (ссылка будет внизу) уже несколько раз просили рассказать про так называемые экзотические атомы. Что же, давайте разберем эту тему и проанализируем мир атомов, которые не должны были бы существовать в обычной природе.
Мы привыкли к самым обычным атомам. Ядро из протонов и нейтронов, вокруг есть электроны. Не буду повторяться тут с очередным описанием того, что атомы не есть шарики и что электроны не вращаются, как планеты по орбитам. Про это много раз было на канале.
И тут начинается самое интересное. Есть атомы, которые выглядят так, будто их собрал сумасшедший инженер. У таких атомов странные оболочки, необычные частицы вместо электронов, а иногда и вовсе античастицы внутри. Такие модификации не могли бы существовать в природе, но в лабораториях и в разных странных условиях Вселенной они есть.
Это и будут экзотические атомы - объекты, которые живут мгновения, но позволяют заглянуть в глубины квантовой механики и понять, как устроена Вселенная. Они имеют конструкцию атома, но собраны непонятно из чего. И странно, что такие конфигурации существуют хотя бы миллисекунды.
Мюонный атом
У электрона есть родственник - мюон. Он примерно в 200 раз тяжелее электрона, но имеет тот же заряд. Если заменить электрон в обычном атоме на мюон, то орбиты сжимаются пропорционально и почти в 200 раз. Получается настоящий квантовый ультракомпактный атом.
Из-за большого веса и, как следствие, сжатых орбит мюон буквально прижимает себя к ядру, позволяя учёным измерять его структуру. Именно благодаря мюонному водороду появились первые намёки на загадочное протонное противоречие - я рассказывал об этом на канале, а если кратко, то суть в том, что пропорциональность в протоне нарушается. Логично было бы, если бы при замене электрона мюоном радиус протона менялся пропрционально, а нет. Это наводит на мысли, что внутри есть ещё что-то и мы не знаем что.
Мюонные атомы существуют доли микросекунды, но за это время успевают испортить математические расчёты и погубить пару крупных теорий.
Мюона получают в лабораториях. В ускорителе создают пучок мюонов и пропускают его через вещество, где мюоны быстро теряют энергию при столкновениях с атомами и, замедлившись, захватываются ядром на место одного из электронов. После захвата мюон падает на более глубокие уровни, испуская рентгеновское излучение, и в итоге оказывается на самой низкой орбите, формируя сверхкомпактный атом со значительно уменьшенным радиусом электронных оболочек. Этот Франкенштейн некоторое время трепыхается и создаёт видимость нового атома.
Позитрониум или атом без ядра
Звучит это как нонсенс. Атом без ядра - это что-то совсем дикое. Но такой тоже существует.
Позитрониум - это система из электрона и его античастицы позитрона. Две противоположно заряженные частицы кружат вокруг общего центра масс будто миниатюрная планетарная система.
Позитрониум крайне нестабилен. Электрон и позитрон со временем сталкиваются и аннигилируют, превращаясь в гамма-кванты.
Это идеальная лаборатория для проверки квантовой электродинамики. Мы видим настоящую систему без сложного ядра, состоящую только из чистых фундаментальных частиц. Физики используют её, чтобы тестировать точность физических законов с невероятной скрупулёзностью.
Позитрониум получают, когда электрон и позитрон оказываются достаточно близко и с малой относительной скоростью, чтобы их электромагнитное притяжение связало их в короткоживущую атомоподобную систему. В лабораториях позитроны обычно создают на ускорителях или радиоактивных источниках, замедляют в специальных ловушках или материалах-замедлителях и затем вводят в среду, содержащую электроны. При столкновениях часть позитронов прилипает к электронам, образуя позитрониум, который существует доли наносекунды, прежде чем аннигилировать в гамма-кванты.
Антиводород или ключ к симметрии Вселенной
Про антиводород вы наверняка уже слышали не один раз. Одна из самых интересных идей, которая витала в воздухе некоторое время назад, была связана с тем, что антиводород якобы не должен падать в гравитационном поле.
Но эта мысль так и осталась где-то на уровне фантазий. Реальный эксперимент идею опроверг, а антигравитаторы не состоялись.
Сам антиводород - штука довольно интересная. Если в водороде заменить протон на антипротон, а электрон на позитрон, то получается антиатом или антиводород.
Эксперименты на ускорителях CERN создают антиводород, ловят его в магнитные ловушки и наблюдают, ведёт ли он себя точно как обычный водород.
Давний вопрос физики вам известен. А почему Вселенная почти полностью состоит из материи, а не из антиматерии? Он напрямую связан с изучением антиатомов.
Антиводород получают, сочетая замедленные антипротоны и позитроны в электромагнитных ловушках. Антипротоны создают на ускорителях, резко тормозят, а затем вводят в область с облаком позитронов, где те могут схлопнуться в связанный антиатом.
Самое ужасное, что он стабилен сам по себе, потому что законы квантовой механики и электромагнетизма одинаково действуют на материю и антиматерию. Это некислая, я вам скажу, загадка.
Антипротон и позитрон образуют такую же прочную связку, как протон и электрон в обычном водороде. Антиводород разрушается только при контакте с обычным веществом - при столкновении с ядрами или электронами он мгновенно аннигилирует. Поэтому, чтобы он жил, его удерживают в вакууме и в магнитной ловушке, где он не может прикоснуться к стенкам. В таких условиях он просуществует неограниченно долго (с учетом наших знаний об устойчивости протона и т.п.)
Гиперонные и странные атомы
Представьте себе обычное атомное ядро из протонов и нейтронов, в которое вставили новую частицу - например, лямбда-гиперон. Это тяжёлая частица, содержащая кварк странности.
Вряд ли вы сходу знаете, что такое этот кварк странности. Давайте отметим пару слов об этом.
Кварк странности тяжелее обычных u- и d-кварков, и обладает особым квантовым числом - странностью, которое сохраняется в сильных взаимодействиях. Именно поэтому частицы, содержащие s-кварк, ведут себя необычно - а именно, распадаются медленнее аналогов.
В результате после подсадки в ядро лямбда-гиперона получается гиперядро, а весь атом будет гиперонный.
Такие атомы живут невероятно мало, но важны для космологии. Ядра с частицами странности могут существовать внутри нейтронных звёзд. То, что мы изучаем на ускорителях в микроскопических масштабах, возможно, определяет судьбу гигантских космических объектов.
Ах да, ещё про странные атомы тут надо отметить. Гиперон относится к странным атомам и встречается в научпопе чаще всего. Но странные атомы -это более широкое понятие и подразумевает оно атомы, содержащие любой объект, связанный со странными кварками.
Атомы с антипротонами
Это не полноценный антиатом типа антиводорода, а только лишь вариант, где в ядре один протон замене на антипротон.
Что же будет, если в атом внедрить антипротон? Он может занять орбиту вместо электрона или внедриться в само ядро. Такие антипротонные атомы - это подарок для ядерной физики. Антипротон постепенно проедает ядро, давая информацию о его структуре вплоть до фемтометров.
Фактически, это атом, в котором каждый локальный квантовый переход - акт уничтожения материи.
Антипротоны создают на ускорителях, где высокоэнергичные протоны ударяют по тяжёлой мишени, выбивая пары протон-антипротон. Антипротоны отфильтровывают, резко тормозят в электромагнитных ловушках или замедлителях, затем вводят в газ или тонкий слой вещества (обычно водорода, гелия или более тяжёлых элементов). Замедлившись до низких энергий, антипротоны могут быть захвачены атомами на дальние орбиты и так образуется антипротонный атом, живущий лишь до момента, когда антипротон доберётся до ядра и уничтожит его в аннигиляции.
Ридберговские атомы или гиганты среди атомов
Совершенно другая экзотика - это атомы, где электрон подняли на очень высокую орбиту. Так получается ридберговский атом, который может быть больше бактерии. Да, его размер может измеряться микрометрами!
Такой атом ведет себя как гиперраздутый мыльный пузырь, где электрон находится так далеко, что почти свободен. Эти экзотические гиганты позволяют изучать поведение квантовых систем на макроскопическом уровне и создают основу для квантовых технологий будущего.
Ридберговский атом получается, когда электрон в обычном атоме поднимают на очень высокое энергетическое состояние с огромным главным квантовым числом n (порядка сотен). Сделать это можно двумя способами - либо облучить атом лазером точно настроенной частоты, чтобы электрон перескочил далеко от ядра, либо возбуждать атом столкновениями с быстрыми частицами.
В результате электрон оказывается на орбите, в десятки тысяч раз превышающей обычный атомный размер, и атом превращается в гигантский ридберговский. Он всё ещё связан, но чрезвычайно чувствителен к электрическим полям, легко поляризуется и живёт достаточно долго, чтобы его можно было изучать.
Пионий и другие почти невозможные атомы
На самом деле экспериментов существует огромное множество и мы с вами выбираем лишь самые часто встречающиеся варианты. Предлагаю в эту группу включить всё, что осталось.
Иногда физики пробуют заменять в атоме электроны на ещё более экзотические частицы. Например, на питомезоны. Получается краткоживущая структура под названием пионий.
Ещё есть каоний, состоящий из тяжелых мезонов. Такие атомы как вспышки. Они возникают в ускорительных экспериментах и тут же исчезают, но дают гигантский объём данных о сильных взаимодействиях.
Зачем всё это?
Экзотические атомы - это не просто фантазии физиков. Это инструменты, которые позволяют проверять фундаментальные симметрии Вселенной, исследовать структуру ядерной материи, понимать поведение антиматерии и искать следы новой физики, строить точные квантовые модели и анализировать почему вообще не появились какие-то новые комбинации субатомных частиц и нет иной конструкции вещества
Каждый такой атом - маленький, но важный эксперимент над правилами, которые создают наш мир.
Мои видео про физику и атомы ищи тут.
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram