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 
. 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
-гиперон с испусканием
-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
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
=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
- с ее экстриситетом, чем
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
=37. Для ионизации электрона требуется 25 эВ, и, чтобы отдать энергию ему, антипротон должен за один раз перескочить в состояние с n=32 и
=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
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
=30 испуская на каждом шаге фотоны со все увеличивающейся энергией (первый переход, в n=37,
=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
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.
. 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
-гиперон с испусканием
-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
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
=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
- с ее экстриситетом, чем
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
=37. Для ионизации электрона требуется 25 эВ, и, чтобы отдать энергию ему, антипротон должен за один раз перескочить в состояние с n=32 и
=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
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
=30 испуская на каждом шаге фотоны со все увеличивающейся энергией (первый переход, в n=37,
=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
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.