Мезонная химия

МЕЗОННАЯ ХИМИЯ (химия элементарных частиц), раздел химии, изучающий системы, в к-рых 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. р-ций, протекающих при взаимод. мюонов m⁺ (ранее относились к мезонам) с в-вом. С помощью М.х. получают данные о распределении электронной плотности, кристал-лич. и магн. структуре в-ва, механизме и скорости хим. р-ций. Наиб. исследованы атомные системы, включающие позитрон и мюон m⁺ .

При столкновении позитронов е⁺ с атомами в-ва в результате захвата позитроном электрона с определенной вероятностью, зависящей от св-в среды, образуется позитроний Ps-связанная система (е ⁺ е^-), в к-рой 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 взаимод. 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 р-ций с парамагн. частицами), хим. р-ции Ps, аналогичные р-циям атома Н (напр., присоединение по кратной связи, замещение, окислит.-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 к-ром 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. р-ций 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 в-вом являются частота квантовых переходов между энерге-тич. состояниями мюония (w₀ = 2,804^.10¹⁰ с^-1) и постоянная распада мюона m⁺ l = 4,545^.10⁵ с^-1, но отношению к к-рым 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 в-ва 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 р-ций атома Н.

Отрицательно заряженные частицы (мюон m^-, p^-, К^--мезоны и др.) при торможении в среде образуют мезоатомы, в к-рых 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. Т. обр., 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 к-рых ядра вступают в р-ции "холодного" ядерного синтеза (dd³Не + п или dt⁴He + п)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. р-ции 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.