​奇异原子

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奇异原子通常是指与一般原子构成不同的原子。

普通的原子是由电子e、质子p和中子n这三种长寿的粒子构成，但奇异原子却是以其他的粒子代替这三种稳定粒子中的一个或多个，通过电磁相互作用构成。

中文名：奇异原子

外文名Exotic atom

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发现研究种类

发现

1940年中国物理学家张文裕在云室中了发现µ子原子能级之间跃迁时发出的特征光子，最早发现了由µ取代普通原子中一个电子e形成的µ子原子这一奇异原子。1951年发现了电子偶素。1952年卡马克证实了π介子原子发出的X射线，发现了由π介子围绕原子核旋转的π介子原子。1960年休斯发现了电子e围绕μ旋转的μ子素，又发现了用正电子e围绕μ旋转的反μ子素，从而大大拓宽了奇异原子的类型。

后来又发现了K介子围绕原子核旋转的K介子原子，1970年发现了由反质子p、超子Σ、Ξ围绕原子核旋转组成的超子原子类型的奇异原子。[1]

研究

正电子e主要来源于β衰变的核素，其它几种粒子需要用中高能粒子加速器产生，一般都是用俘获法或重粒子衰变法产生奇异原子：

把高能加速器中产生的高速运动的粒子慢化到俘获或被俘获截面很大的状态，使得带负电的粒子取代原子中的电子被原子核捕获（如µ子原子），或者带正电的粒子捕获电子（如μe原子）形成奇异原子；

利用重粒子的衰变直接产生奇异原子〔如KL<→(πμ)+v〕。

奇异原子的性质与组成它的粒子的性质有密切关系，因此是原子物理和高能物理两个领域共同研究的对象。形成奇异原子时，负粒子被捕获在高激发态轨道上，随后的跃迁过程放出一系列X射线，µ子原子释放的X射线称为µ子X射线。研究这类奇异原子主要靠测量这些X射线。奇异原子可以作为研究很多基本问题的“实验室”。可用以检验除狄拉克方程以外的其他方程；研究库仑力与静电力的偏离、原子核的大小效应等；利用μe原子这种轻子原子验证电弱统一理论；利用奇异原子的形成和衰变以及原子能级之间的移动和跃迁，测量生成这些奇异原子的粒子的基本量和其性质；利用原子能级跃迁值精确测定μ子、K介子、π介子、超子等粒子的质量。

奇异原子有些是由负粒子µ子及介子或超子等强子组成，质量、结合能比电子大两到三个数量级，有着不同的自旋。奇异原子与普通原子相比有以下特点：

①量子数相同时，轨道半径与轨道上粒子的质量成反比，奇异原子半径会比普通原子的小两到三个数量级；

②轨道能级与轨道上粒子的质量成正比，能级跃迁时能量比电子跃迁能高几百至几千倍；

③具有多种不同的自旋角动量；

④基态不稳定，奇异原子会因为其中寿命较短的不稳定粒子中衰变而解体，或因为其“电子”与“核”碰到一起而衰变。

1960年代初发现物质的化学性质对奇异原子释放的介子X射线谱的结构有影响，还发现一系列金属氧化物捕获µ的几率比（=/8）随金属原子序数呈周期性的变化，其最小值从元素周期表的开始处出现，进而推断化学键类型对奇异原子的形成和衰变有一定影响。到60年代中期，从实验上肯定了奇异原子的形成几率与衰变方式同化学环境有着密切联系，由此发展出奇异原子化学这一新的研究领域。

奇异原子化学是粒子物理学与核化学相交叉的边缘学科。这一研究主要有两方面：首先是找出物质化学结构影响奇异原子形成与衰变的规律；

其次是通过观测奇异原子的形成与衰变来获取有关的化学结构和化学反应动力学的新数据。

这为我们提供了一种研究分子电子结构和材料化学的性质的新途径。

电子偶素和µ子素都是类氢原子，µ质量是e的207倍，所以µ子素更像氢原子，它们都有具有特征的短寿命，可以作为氢的示踪剂。π被氢原子浮获后与氢核发生特征的电荷交换反应π+p→n+π，π接着又释放出2个光子，以此鉴定材料中的氢元素其他元素干扰极小。氢的化学状态强烈地影响π介子原子的形成。奇异原子化学中一个颇具实用价值的课题就是利用µ、π介子研究含氢材料的化学性质和氢键特征。[1]

种类

〇著名的奇异原子

电子偶素（由正子和电子构成）

双电子偶素（由两个电子偶素构成的分子）

氢化电子偶素（由氢原子和电子偶素构成的分子）

缈子偶素（由反缈子和电子构成）

K介子原子（由K介子和质子构成）

反氢（由正电子和反质子构成）

〇奇异原子列表

轻子束缚态

单态电子偶素（para-Positronium）（p-Ps）

三态电子偶素（ortho-Positronium）（o-Ps）

电子偶素（Positronium）或称正子素，化学符号是Ps

氢化电子偶素（Positronium hydride），化学式为PsH

双电子偶素（Di-positronium），化学式为Ps2

缈子偶素（Muonium）或称μ子素，化学符号是Mu，电子绕正μ子旋转

反缈子偶素（Antimuonium）或反μ子素，正电子绕负μ子旋转

真缈子偶素（true Muonium）正反μ子束缚态

陶子偶素（Tauonium）或称τ子素，电子绕正τ子旋转

反陶子偶素（Antitauonium）或反τ子素，正电子绕负τ子旋转

真陶子偶素（true Tauonium）正反τ子束缚态

轻子原子

μ氢原子（hydrogen muon atom）μ子与氢原子核（质子）构成的原子

氢-4.1（super-heavy hydrogen）或称μ氦核原子（The neutral muonic helium atom）氦-4原子的一个电子由缈子取代，缈子比较重，所以原子核由1个缈子、2个质子和2个中子组成、外侧只有一个电子，因此可以视为一种氢的同位素，1个缈子重约0.113原子质量单位，故名氢-4.1(H)，这种原子可与其他元素反应，其行为更像一个氢原子而不是像氦原子

μ原子（mu atom）μ子绕原子核旋转

τ原子（tau atom）τ子绕原子核旋转

双强子原子

Σ原子 负Σ超子绕原子核旋转

Ξ原子

Ω原子

反质子氢（Antiprotonic hydrogen）

反质子氦（Antiprotonic helium）

质子偶素（protonium）

反质子原子（antiprotonic atom）反质子（带负电荷的质子）绕原子核旋转

超子原子（Hyperon atom）

π介子偶素（Pionium）ππ原子（记为A2π）

K介子偶素（Kaonium）KK原子

πK原子

πK原子

介子偶素（mesonium）

K氢原子或称K介子原子（Kaonic hydrogen）

K氘原子 一个K介子和两个质子组成

π原子 负π介子绕原子核旋转

K原子 负K介子绕原子核旋转

介子原子（mesonic atom）

双介子原子（dimeson atom）

重子原子（baryonic atom）

核束缚态

Λ超核

双Λ超核

Σ超核

Ξ超核

Ω超核

多奇异数超核

重味超核

π介子核

η介子核

K介子核

重味介子核

介子核（Mesonucleus）

超核（Hypernucleus）

反物质（Antimatter）

反氢H

反氘

反氚

反氦

反氦4（目前发现最重反物质）

反Λ超氚（antihypertriton）[2]

参考资料

[1]   Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles, Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, and Wilhelm Raith, Berlin: Walter de Gruyter, 1997, ISBN 3110139901.

[2]  Fundamentals in Hadronic Atom Theory, A. Deloff, River Edge, New Jersey: World Scientific, 2003. ISBN 9812383719.