?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Атомкула

Когда в будущем бСССР perestroika была в самом разгаре, в Японии группа ученых мирно бомбардировала мишень из жидкого гелия  отрицательными каонами, пытаясь получить гиперядра [; {}^4_\Sigma He ;]. Гиперядра они получили, но помимо этого неожиданно обнаружилось необычное явление: часть каонов, вместо того чтобы в течении порядка одной триллионной секунды притянутся к одному из ядер среды, поглотится одним из его нуклонов  и образовать [;\Sigma;]-гиперон с испусканием [;\pi^-;]-мезона (как это происходило при их попадании в любые другие вещества), так и плавала внутри жидкого гелия вплоть до своей естественной смерти.
Последующие эксперименты показали, что тот же эффект наблюдается при попадании в жидкий гелий и других тяжелых отрицательных частиц. Особенно выпукло это проявлялось при попадании в жидкий гелий антипротонов: три процента антипротонов, вместо того чтобы аннигилировать спустя ту же триллионную долю секунды, жили в плотном веществе в миллион раз дольше, и аннигилировали только спустя несколько микросекунд. Стало ясно, что это следствие относительной устойчивости вот такого объекта
Атомкула
состоящего из ядра гелия и вращающихся вокруг него антипротона и электрона. Прежде чем разбирать, почему оно устойчиво, разберемся, что обычно происходит при попадании антипротона в среду, и откуда берется уже два раза помянутая одна триллионная секунды.

Попав в вещество, антипротон, так же как и позитрон, не аннигилирует тут же с каким нибудь протоном (или нейтроном, перед аннигиляцией все нуклоны равны), этому мешает малая вероятность лобового столкновения с каким нибудь ядром и большая скорость их пролета по, так сказать, баллистической траектории мимо ядра. Сначала он теряет большую часть своей кинетической энергии на ионизацию атомов среды, потом, достаточно замедлившись, производит "рокировку" с одним из электронов какого нибудь атома. Обрадованный свободой электрон улетает вдаль, и в результате образуется объект аналогичный изображенному на рисунке, но (если мы говорим не о гелии) с другим зарядом ядра и другим количеством электронов. После этого антипротон продолжает свою политику последовательного вытеснения электронов, отдавая им свою энергию и угловой момент, в результате чего все ближе приближается к ядру, пока не окажется в основном состоянии антипротонного атома (радиус которого приблизительно в 1800 раз меньше, чем был радиус основного состояния электрона в том же атоме), и после крайне недолгого времени аннигилирует с одним из нуклонов ядра.

В гелии происходит все то же самое, но процесс надолго застревает после образования антипротонного гелия с одним электроном. После "рокировки" антипротон с наиболее вероятностью оказывается в состоянии с энергией, близкой к энергии ранее занимавшего это место электрона, а это состояние с очень большим главным квантовым числом n=38. При этом заметная доля антипротонов оказывается в состоянии с максимально возможным угловым моментом [;\ell=n-1;]=37. Тут можно отвлечься и сделать такое замечание: тяжелые частицы, находящиеся в состояниях с настолько большими квантовыми числами, вполне допустимо описывать с помощью классической механики, так что то что на рисунке изображена траектория антипротона (красный круг) - не есть некий грубый грех против истины (да, и рисунок не мой, а вот отсюда). Число n связано с длиной главной полуоси орбиты, а [;\ell;] - с ее экстриситетом, чем [;\ell;] больше - тем орбита круглее. А вот электрон легкий и к тому же находится в основном состоянии, может быть описан только квантовой механикой и поэтому изображен распределением вероятности найти его в данной точке (синезеленое облако).

Вернемся к антипротону, находящемуся в состоянии с  n=38 и [;\ell;]=37. Для ионизации электрона требуется 25 эВ, и, чтобы отдать энергию ему, антипротон должен за один раз перескочить в состояние с n=32 и [;\ell;]=31, только такой прыжок даст достаточно энергии для выброса электрона. При этом электрону должны передастся сразу 6 квантов углового момента, что крайне маловероятно. Из за того, что антипротонный гелий находится в среде, есть в принципе и альтернативный путь - он может потерять  угловой момент при столкновениях с другими атомами гелия, а уж потом прыгнуть в низкое состояние без передачи углового момента электрону. Но юмор в том, что как раз электрон этому и мешает - он вызывает расщепление уровней антипротона, то есть уровни антипротона с одинаковым n, но разным [;\ell;] имеют несколько различающиеся энергии. Из за этого при столкновениях передача углового момента обязана сопровождаться передачей энергия, что возможно только при достаточно больших температурах среды, а гелий то был жидкий. В общем, у антипротона остается единственный способ спустится к ядру: он должен пройти весь каскад переходов до n=31 и [;\ell;]=30 испуская на каждом шаге фотоны со все увеличивающейся энергией (первый переход, в n=37, [;\ell;]=36, имеет энергию 2 эВ, что соответствует оранжевому свету), что как раз и занимает полторы микросекунды, после чего он уже может быстро переходить вниз за счет выброса электрона и все идет как в остальных веществах.

Поскольку эта система состоит из двух ядер с электроном, ее можно считать молекулой, и тогда она разделяет с ионом молекулы водорода [;H_2^+;] лавры простейшей молекулы и единственной молекулы, для которой возможно аналитическое решение стационарного уравнения Шредингера для электрона. С другой стороны, антипротон занимает законное место электрона, и второй электрон к нему не притягивается, а отталкивается (что, если присмотреться, показано и на картинке), так что с этой точки зрения это экзотичный атом. Поэтому его обозвали atomcule, и не слишком благозвучная калька этого термина красуется в качестве названия поста.

О практических применениях: главным (и единственным) применением антипротонно-гелиевой атомкулы является точное измерение массы антипротона. Посчитав разность энергий уровней атомкулы теоретически, и сравнив со спектром измеренным в эксперименте, удалось определить отношение массы антипротона к массе электрона с заметно большей точностью, чем известно оное отношение для протона, а поскольку есть весьма обоснованная надежда, что масса антипротона совпадает с массой протона, а последняя известна с большой точностью, отсюда, как ни странно, было получено наиболее точное на сегодняшний момент значение массы электрона

Comments

( 6 comments — Leave a comment )
freeresearcher
Jan. 31st, 2011 09:37 am (UTC)
Добрый день!

Если Вас не затруднит, напишите на freeresearcher@gmail.com. Есть один вопрос по поводу научно-популярных текстов (я сейчас занимаюсь организацией научного раздела в "Московских Новостях", а ранее вел науку в GZT.RU).
dadyby
Feb. 2nd, 2011 06:06 pm (UTC)
Чета ниче не понял
Вод мой позд.
b_my
Mar. 13th, 2011 04:11 pm (UTC)
Скажите, а на чём основана оценка в миллион актов синтеза?

Для мюона это количество определяется временем жизни и вероятностью образования мюонного атома с гелием. Антипротон тяжелее, но у него есть и вероятность аннигиляции.
antihydrogen
Mar. 13th, 2011 07:29 pm (UTC)
Ну наконец то, нашелся хоть кто то недоверчивый.
На самом деле мне про этот миллион когда то шеф сказал. А вот почему он это сказал - тайна покрытая мраком, ибо он сам же некогда оценил это количество в одну десятую http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TVN-470W1JG-7D&_user=10&_coverDate=10%2F07%2F1993&_alid=1676762200&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search&_origin=search&_zone=rslt_list_item&_cdi=5539&_sort=r&_st=13&_docanchor=&view=c&_ct=1&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=b601b867311689ceaadc3e67b67fda56&searchtype=a

Самые же высокие оценки дают одну катализированную реакцию до аннигиляции http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp;jsessionid=C66D2279BC2DDC23AECA512144D825C8?purl=/95253-EpF93N/webviewable/

Мораль и мне урок - верить в наше время нельзя никому, даже научному руководителю! Ну или собственной памяти...
strupstrem
May. 2nd, 2011 06:07 pm (UTC)
antihydrogen
May. 3rd, 2011 10:30 am (UTC)
Разжигаете ненависть к социальной группе альтернативно грамотных?
( 6 comments — Leave a comment )