мезонная химия

МЕЗОННАЯ ХИМИЯ (химия элементарных частиц)

раздел химии, изучающий системы, в которых либо ядро атома заменено на др. положит. частицу (m⁺-мюон, позитрон), либо электрон заменен на др. отрицат. частицу (m⁻-мюон, p⁻ — мезон, К⁻-мезон, S⁻-гиперон, антипротон). Назв. М.х. возникло в 60-х гг. 20 в. в связи с исследованиями хим. реакций, протекающих при взаимодействии мюонов m⁺ (ранее относились к мезонам) с веществом. С помощью М.х. получают данные о распределении электронной плотности, кристаллич. и магн. структуре вещества, механизме и скорости хим. реакций. Наиб. исследованы атомные системы, включающие позитрон и мюон m⁺ .

При столкновении позитронов е⁺ с атомами вещества в результате захвата позитроном электрона с определенной вероятностью, зависящей от свойств среды, образуется позитроний Ps-связанная система (е ⁺ е⁻), в которой электрон и позитрон обращаются относительно общего центра масс. Размер Ps 0,106 нм, потенциал ионизации 6,77 эВ, масса 1/920 массы атома Н. Позитроний может находиться в двух состояниях, отличающихся ориентацией спина электрона относительно спина е⁺: орто-позитроний со спином, равным 1 (аннигилирует на 3 g-кванта; время жизни в вакууме t = 1,4∙10⁻⁷ с) и пара-позитроний со спином, равным 0 (аннигилирует на 2 g-кванта, t = 1,25∙10⁻¹⁰ с); соотношение вероятностей образования 3:1. При взаимодействии Ps со средой его время жизни уменьшается. Измерения величины t и углового распределения разлета у-квантов позволяет изучать типы взаимодействий: аннигиляция на "чужих" электронах, орто-пара-конверсия (взаимный переход орто- и пара-позитрония вследствие реакций с парамагн. частицами), хим. реакции Ps, аналогичные реакциям атома Н (напр., присоединение по кратной связи, замещение, окислительно-восстановит. процессы и т. п.). Ввиду малой массы Ps в его взаимод. важную роль играет туннельный эффект. Позитроний широко используется при исследованиях механизма и кинетики разнообразных хим. процессов в газах и конденсир. средах, при изучении фазовых переходов, диффузии, связанных состояний в атомно-молекулярных системах, включая полупроводниковые, ионные и полимерные материалы.

Захват электрона мюоном m⁺ приводит к образованию атома мюония Mu-водородоподобного атома, в котором центр. ядром вместо протона является m⁺. Радиус атомной орбиты Ми 0,0532 нм, потенциал ионизации 13,54 эВ, масса 1/9 массы атома Н. Как и позитроний, мюоний может находиться в орто- и пара состояниях. Основные измеряемые характеристики Мu-степень ориентации спина относительно оси квантования m⁺ (поляризация) и ее изменения во времени (релаксация), зависящие от хим. реакций Ми. В магн. пoлях мюон m⁺ и орто-мюоний претерпевают ларморову прецессию спина (системы спинов) с частотами, отличающимися в 103 раза, что позволяет экспериментально идентифицировать хим. состояние частиц. Ядерно-физ. эталонами времени при исследовании скорости взаимод. мюония с веществом являются частота квантовых переходов между энергетич. состояниями мюония (w₀ = 2,804∙10¹⁰ с⁻¹) и постоянная распада мюона m⁺ l = 4,545∙10⁵ с⁻¹, но отношению к которым измеряются абсолютные константы скорости реакций.

Мюоний применяется при исследованиях кинетики быстрых и сверхбыстрых физ.-хим. процессов, спин-решеточной релаксации в кристаллах, спин-обменных взаимод. в полупроводниках, сверхпроводимости и др. вопросов физ. химии и физики твердого тела.

Характерная методич. особенность применения Ps и Мu-наличие в исследуемом объеме вещества лишь неск. этих частиц, т. е. пренебрежимо малая степень превращения исходной среды. Исследование протекающих процессов проводится, как правило, на уровне элементарных актов взаимодействия. Области использования систем Ps и Ми взаимно дополняют друг друга и позволяют изучать важнейшие типы реакций атома Н.

Отрицательно заряженные частицы (мюон m⁻, p⁻, К⁻-мезоны и др.) при торможении в среде образуют мезоатомы, в которых эти частицы играют роль "тяжелых" электронов. Образуясь первоначально в высоковозбужденных состояниях, мезоатомы в результате каскадных переходов при испускании g-квантов или оже-электронов переходят в основное состояние. Орбиты мезоатомов (их размер обратно пропорционален массе частицы) на 2–3 порядка меньше электронных орбит. При этом эффективный заряд ядра Z уменьшается на единицу, в результате чего мезоатом имеет электронную оболочку ядра Z-1. Таким образом, в принципе могут моделироваться атомы любых элементов, напр. при захвате и атомом Ne образуется мезоатом mF. Уникальны мезоатомы, состоящие из ядра водорода (протон, дейтрон, тритон) и отрицательно заряженной частицы, поскольку они являются нейтральными системами малого размера (напр., радиус мюонного атома водорода равен 2,56∙10⁻¹¹ см, а радиус пионного атома водорода — 1,94∙10⁻¹¹ см) и, подобно нейтронам, проникают внутрь электронных оболочек к ядрам, участвуя в разл. процессах. Так, напр., могут образоваться системы ddm и dtm, аналогичные мол. ионам водорода, в которых ядра вступают в реакции "холодного" ядерного синтеза (dd → ³Не + n или dt → ⁴He + n) с высвобождением m⁻, осуществляющего послед. акты синтеза (мюонный катализ). Процессы захвата отрицательно заряженных частиц на мезоатомные орбиты и перехвата их др. атомами обусловлены строением электронной оболочки, что позволяет изучать структуру молекул и хим. реакции мезоатомов.

^{Лит.: Кириллов-Угрюмов В. Г., Никитин Ю. П., Сергеев Ф. М., Атомы и мезоны, М., 1980; Гольданский В. И., Шантарович В. П., Современное состояние исследований "новых" атомов, в кн.: Физика XX века: развитие и перспективы, М., 1984, с. 136–87; Евсеев В. С., МамедовТ.Н., Рога-нов. B.C., Отрицательные мюоны в веществе, М., 1985.}

_{В. Г. Фирсов}