关于奇特原子化学介绍

[拼音]：qite yuanzi huaxue

[外文]：exotic atom chemistry

基本粒子物理与核化学相交的边缘学科。主要研究物质的化学特性影响奇特原子形成和衰变的规律，以及利用可以形成奇特原子的基本粒子，如正电子、正介子、负介子等与物质的相互作用来研究物质结构和反应动力学等化学问题。该学科提供了一种研究分子的电子结构和材料化学性质的新途径。

普通原子中的一个电子被其他带负电的粒子，如µ-、π-等代替;或是原子核中的一个质子被其他带正电的粒子，如e+、µ+等代替而组成的原子。1970年E.H.S.伯霍普统称它们为奇特原子或奇异原子。能够形成奇特原子的基本粒子除了e+、µ±、π±外，还有K-介子、反质子和负超子∑-、Ξ-、Ω－等。

由一个正粒子代替质子与电子组成的类氢原子的英文命名是在该粒子名后加后缀 -ium。如 （e+e-）称为positronium，(µ+e-)称为muonium，它们的化学符号分别是Ps和Mu，被译为正电子素(或正子素、电子偶素)和µ子素。

由µ-或π-、K-替换原子中的一个电子组成的奇特原子就称为µ子原子、π介子原子、K介子原子等。

所有奇特原子都是不稳定的。它们的寿命最长不超过形成奇特原子的基本粒子在真空中的固有寿命 (τμ≈2.2×10-6秒，τπ≈2.6×10-8秒)。正电子本身是稳定的，但遇到电子会发生正电子湮没;正电子素的寿命约为10-7～10-10秒。

最早被证实的奇特原子是1940年发现的 µ子原子，1951年发现了正电子素，1952年证实了π介子原子发出的X射线，1960年测到了µ子素。60年代初期发现物质的化学性质对奇特原子释放的介子 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（等于Z/8）随金属原子序数Z呈周期性的变化，最小值出现在元素周期表的开始处，从而推断化学键类型对奇特原子的形成和衰变有影响。至60年代中期，从实验上肯定了奇特原子的形成几率和随后的衰变方式与化学环境有密切联系，由此发展出奇特原子化学这一新的研究领域。1970年发现了由反质子、Σ-、Ξ-组成的超子原子。

该领域的研究可分两个阶段。第一阶段是找出化学结构影响奇特原子的形成和衰变的规律。第二阶段是根据观测奇特原子的形成和衰变来获取有关化学结构和化学反应动力学的新数据。在上述的奇特原子中，正电子素的研究已步入第二阶段。

除了正电子来源于β+衰变的核素外，其他几种粒子需要用中、高能加速产生。正电子或用加速产生的粒子束射入物质，经过慢化，正粒子与一个电子结合或负粒子被原子捕获即形成奇特原子。

由µ-、π-等负粒子组成的奇特原子有两个重要的特征：

（1）由于量子数相同时轨道半径与轨道上粒子的质量成反比，它们的半径比普通原子的小得多；

（2）由于轨道能级与轨道上粒子的质量成正比，做同样跃迁时辐射能比电子跃迁能高几百至几千倍。形成奇特原子时，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µX射线。研究这类奇特原子化学主要靠测量这些X射线。

π-被氢原子捕获后与氢核发生特征的电荷交换反应π-+p─→n+π0，π0接着又放出2个光子。以此鉴定材料中的氢，其他元素干扰极小。氢的化学状态强烈地影响其π介子原子的形成。利用π-介子研究含氢材料的化学性质和氢键特征是奇特原子化学中一个颇有实用价值的课题。

正电子素和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（见表）。它们都具有特征的短寿命，可以作为氢的示踪剂。

参考书目

1. E.Fluch and V.I.Goldanskii，et al.， ed.， Modern Physics in Chemistry，Vol.1，Academic Press，London， 1976.