Eksootiline aatom: määratlus ja näited (positronium)

Eksootiline aatom on eriline aatom, kus mõni tavaline aatomis leiduv osakest on asendatud sama laenguga osakestega. Näiteks Positronium on eksootiline süsteem, mis sisaldab elektroni ja positroni. Positron (mis on elektroni antiriik) asendab selles tavapärast kergemat partnerit või täidab aatomi ümberpaiknemise rolli. Sellised süsteemid ei pruugi sisaldada tavalist aatomituuma (nagu Positroniumis) või võivad sisaldada raskeid osakesi (nt mion, pion, antiproton). Enamikku eksootilisi aatomeid on raske avastada, sest nad lagunevad väga kiiresti: näiteks Positroniumil on keskmiselt 0,125 nanosekundi pikkune poolväärtusaeg (umbes 125 pikosekundit), kuid erinevates spin-seisundites võib see oluliselt erineda.

Eksootiliste aatomite tüübid ja näited

• Positronium — elektron + positron. See on puhas elektron-positron süsteem, mille energiaalad on sarnased vesinikule, kuid sidumisenergia on umbes 6,8 eV (vesiniku 13,6 eV jagatud kahega) ja Bohr'i raadius kaks korda suurem. Positroniumil on kaks põhilist spin-seisundit:
  • parapositronium (singlet, antiparalleelsed spinnid) degenereerub peamiselt kahe gamma-otoniga; eluiga ~0,125 ns;
  • ortopositronium (triplet, paralellsed spinnid) degenereerub peamiselt kolme gamma-otoniga; eluiga vaakumis ~142 ns.
  Kahe-gamma lagunemisel tekivad 511 keV fotonid, mis liiguvad vastassuundades — seda kasutatakse ka positirooniannihilatsiooni tuvastamiseks.
• Muonium ja muoniga aatomid — muonium on antimuoni (μ+) ja elektroni (e−) süsteem; muoniga (μ−) asendatud „muoniline“ vesinik (muonic hydrogen) omab väga väikest orbitaalraadiust, mis teeb selle tundlikuks tuuma suurusele ja kasulikuks prootoni raadiuse määramiseks.
• Pionilised ja kaonilised aatomid — laadimata tuuma ümber jääb negatiivne pion või kaon elektronide asemel; nende tugev interaktsioon tuumaga põhjustab nähtavaid energiaülekandeid ja laius-shifte (branch widths), mida kasutatakse madalenergia tugeva vastasmõju uurimiseks.
• Antiprotoni aatomid — antiproton (p̄) võib sattuda aatomi orbitaalsele tasemele ja lõppkokkuvõttes anihileeruda tuumaga; sellised süsteemid annavad teavet tuuma pinna ja anihilatsiooni protsesside kohta.

Kuidas eksootilisi aatomeid tekib ja kuidas neid tuvastatakse

Eksootilised aatomid sünnivad tavaliselt kiirendites, radioaktiivsete allikate või kosmiliste protsesside kaudu, kui antiosakesed või rasket laenguga osakesed satuvad aatomitesse ja jäävad lühiajaliselt kinni orbitaalidele. Tuvastamisel kasutatakse:

• spektrijoonte mõõtmist (X- ja γ-kiirguse üleminekud aatomi sissevooludes),
• annihilatsiooni gamma-kiirguse registreerimist (nt positronium puhul 511 keV fotonid),
• aegresolutsiooniga detektoreid, et määrata väga lühikesi eluaegu ja lagunemismehhanisme,
• täppismõõtmisi (spektroskoopia), et testida kvantmehaanika ja kvantvälja-teooriate ennustusi.

Miks eksootilised aatomid on olulised

• Need pakuvad ranget testi kvant-eletrodünaamikale (QED) ja muudele fundamentaalsetele teooriatele, sest energiatase, hüppemoonutused ja lagunemiskiirused on arvutatavad ja täpselt mõõdetavad.
• Muoniga aatomid võimaldasid täpsustada prootoni raadiust (ning andsid arutelu nn prootoni raadiuse puzzle kohta).
• Pionilised ja kaonilised aatomid võimaldavad uurida tugevat vastasmõju madalal energial ning tuuma struktuuri.
• Positroniumi ja teiste anihileeruvate süsteemide uurimine pakub teadmisi antimateria käitumisest ja on tehniliselt kasutatav materjalianalüüsis (positroniannihilatsioon spektroskoopia).

Väljakutsed

Eksootiliste aatomite uurimine on keeruline, sest need elavad väga lühikest aega, nõuavad kõrgeid energiadetsipline ja puhtaid katseolukordi (nt vaakum, madal taust). Lisaks on vajalikud väga täpsed detektorid ja statistikakogumine, et eristada signaali taustast ning mõõta energia- ja ajaomadusi usaldusväärselt.

Kokkuvõttes annavad eksootilised aatomid akna fundamentaalsetesse osakestefüüsika protsessidesse, võimaldades nii teooria kontrolli kui ka praktilisi rakendusi materjaliteaduses ja meditsiinis (nt positroneemissioon tomograafia kontekstis). Positronium on neist üks kõige kergemini mõistetav ja laboritingimustes sageli uuritav näide, mille unikaalsed omadused teevad temast olulise uurimisobjekti.

Küsimused ja vastused

K: Mis on eksoomne aatom?

K: Mis on näide eksootilisest aatomist?

K: Mida sisaldab Positronium?

K: Mis on positron Positroniumis?

K: Miks on enamikku eksootilisi aatomeid raske avastada?

K: Milline on Positroniumi keskmine poolväärtusaeg?

K: Kui palju on eksootilisi aatomeid?

Otsing