24 июня 2008 г.

Терминологическое

Листая PRL, наткнулся на статью, в заголовке которой встретилось выражение "положительно заряженный мюоний" (Mu+). Я его перечитал пять раз, но так и не понял, что оно значит. Дело в том, что в физике элементарных частиц существует много разных "-ониев": позитроний (связанное состояние e+e), чармоний (связанное состояние чарм-кварка и его же антикварка), топоний (связанное топ-кварк-антикварковое состояние, которое впрочем не образуется). По логике вещей, мюонием тогда следовало бы называть связанное состояние μ+μ. Но все эти "-онии" электрически нейтральны. Что же тогда означает положительно заряженный мюоний? Просто антимюон? Но зачем его тогда называть мюонием?

Полез разбираться. И оказалось, что никакой логикой вещей тут и не пахнет -- по крайней мере, с точки зрения физики элементарных частиц :)

Первый шок (для меня как ФЭЧиста): мюоний -- это связанное состояние антимюона μ+ и электрона e. Название это закрепилось очень давно, с момента открытия мюония в 1960 году (подробности см. в статье Мюоний в УФН аж за 1969 год; современную ситуацию см. в обзорной статье Past, Present and Future of Muonium).

Следующий шок: оказывается, мюоний у химиков принято считать сверхлегким изотопом водорода. Вообще, обычно изотопы элемента отличаются лишь количеством нейтронов в ядре, но никак не протонов. А тут в "ядре" ноль протонов, ноль нейтронов, один антимюон. Впрочем, некий смысл в этом можно найти: с точки зрения химии изотоп характеризуется не реальной внутренней структурой ядра, а лишь массой и зарядом. Если ограничиваться только этими характеристиками, то действительно мюон выглядит просто как сверхлегкий протон.

Затем я откопал пояснения ИЮПАК по поводу названий мюония и его соединений. Там еще раз подтвердили, что он считается легким изотопом водорода, c химическим символом Mu, и по аналогии с водородом положительно заряженным ионом мюония Mu+ является просто антимюон. Я так понял, смысл названия Mu+ в том, что оно подчеркивает, что это не просто свободный антимюон, а антимюон в химическом окружении.

Там еще сообщается, как называть соединения с мюоном (например, мюонид натрия NaMu, или невыговариваемое для меня соединение 6-мюониоциклогекса-2,4-диен-1-ил). И совсем кощуственное: связанное состояние μ+μ они постановили называть "мюонным мюонием" :)

И наконец, шок номер три. Цитата из того же постановления ИЮПАК:
Negative muons have a shorter life time than positive muons and are currently thought not to be chemically relevant.

Для ФЭЧиста это звучит совершенно безумно, поскольку из CPT теоремы вытекает, что время жизни частицы и античастицы одинаково, и это проверено экспериментально с огромной точностью. Но на самом деле тут везде по умолчанию предполагается (химики!), что речь идет не об изолированном положительном или отрицательном мюоне, а о мюоне в веществе. А отрицательный мюон действительно ведет себя в веществе совсем не так, как положительный -- он притягивается в ближайшему ядру, садится на самый низкий уровень и часто захватывается ядром. Вероятно, это и дает ему меньшее время жизни в среде, чем положительному мюону (впрочем, подробных данных я не нашел).

Такая вот разница между тем, что по умолчанию полагают химики и физики :)

19 комментариев:

  1. 1. Как я понимаю, термин "мюоний" появился по аналогии с позитронием -- в связанном состоянии электрона и позитрона заменим позитрон на антимюон, получим мюоний (другие экзотические атомы химикам практически недоступны, если не считать мюонных атомов, где электрон в атомной оболочке заменен на мюон). А всяческие -онии в ФЭЧ тоже пошли от позитрония, но уже по другой аналогии -- как связанная система частицы и соответствующей античастицы.

    2. "Мюонный мюоний" химики придумали, видимо, просто для полноты терминологии. Вряд ли с такой штукой удастся работать в хим.условиях, если вообще удастся её получить.

    3. Мне встречалось время жизни позитрона (в среде, естественно). Есть даже метод хим.анализа, основанный на измерении этого времени.

    ОтветитьУдалить
  2. 1. Ну я догадываюсь, но как-то забавно, что химики и физики пошли разными логическими путями :)

    3. Ну, позитрон аннигилирует с электроном, а положительному мюону не с кем аннилигировать. Я тут нашел данные 70-х годов по времени жизни мюонного водорода в газовой фазе. Так там при росте давления время жизни резко падает, вплоть до наносекунд. Т.е. получается столкновения катализируют распад, но там не сказано по какому каналу -- это именно распад мюона или реакция μp→nν.

    ОтветитьУдалить
  3. 3. Положительный мюон по каналу μp→nν распасться не может; с нейтроном он мог бы прореагировать в протон и нейтрино, но до ядра, где нейтроны, вряд ли доберётся. Так что та реакция, которая ускоряется с ростом давления, видимо, именно чистый распад мюона, хотя и странно мне это. Если реакция зависит от давления, то в ней должны как-то участвовать окружающие электроны, в первую очередь тот, что связан с самим мюоном. Может, это на самом деле что-то типа К-захвата? Переход через Z0 в два нейтрино -- вроде нельзя. В общем, непонятно, что за реакция.

    ОтветитьУдалить
  4. Я про отрицательный мюон говорил. Ведь именно на него "телегу катили" в ИЯПАК :) что он живет мало. Данные про него же -- т.е. там примесь мюонного водорода в газе обычного водорода.

    Данные -- это вот эта статья: A.~Bertin, I.~Massa, M.~Piccinini, G.~Vannini, A.~Vitale and G.~Matone, ``Triplet State Lifetime For (Mu P) 1s Muonic Atoms In Gaseous Hydrogen,'' Phys.Lett. B 88 (1979) 185.

    ОтветитьУдалить
  5. Я тормознул, не понял, что речь о мюонном водороде :). Тогда, конечно, это именно μp→nν. Для обычного электронного захвата ядром тоже наблюдается рост скорости захвата с ростом давления. Правда, там скорость захвата меняется на проценты и доли процента во всем диапазоне лабораторно доступных давлений. А в случае мюонного атома, насколько я понял, давление увеличивает долю атомов с сонаправленными спинами мюона и протона (энергия чуть выше, чем у синглета), что и приводит к росту вероятности захвата аж на порядки. Интересный механизм.

    ОтветитьУдалить
  6. Низ-зя химиков пускать в ФЭЧ, они вам ишо не таких "-ониев" наворотят ;) (это я по себе знаю)

    ОтветитьУдалить
  7. Что v1adis1av сказал. По-моему, логично... :)

    Это ФЭЧистам нельзя доверять элементы называть. :)

    ОтветитьУдалить
  8. Очивидно, что время жизни частиц и античастиц одинаково лишь в изолированном состоянии. Думается что экспериментальная проверка CPT теоремы предпологает максимальное исключение побочных факторов, а взаимодействие частиц и античастиц с веществом и есть такой фактор. Получается у физиков эксперимент "чистый" а у химиков "грязный":) но правы и те и другие.
    Про сверхлегкий изотоп водорода первый раз услышал, благодарю вас Игорь!Получается, если он действительно существует, то должен учавствовать в химических реакциях так же как и обычный водород.

    ОтветитьУдалить
  9. Конечно, в изолированном, я ровно про это и написал. Конечно, правы и те, и другие. Я лишь пенял на то, что для химиков настолько естественно полагать по умолчанию, что ВООБЩЕ ВСЁ происходит в веществе, что они это не упоминают. Что у фэчистов может вызвать когнитивный диссонанс.

    > Про сверхлегкий изотоп водорода
    > первый раз услышал, благодарю вас > Игорь! Получается, если он
    > действительно существует,...

    Что-то я по Вашей фразе не уверен, что Вы точно все поняли. Сверхлегким изотопом считается мюоний. Он существует, вступает в химические реакции, уже давно используется в ряде методов исследования вещества. Кроме него никаких легких изотопов водорода не существует.

    ОтветитьУдалить
  10. Кроме него [мюония] никаких легких изотопов водорода не существует.

    Если не считать позитрония, который тоже способен вступать в хим. реакции и ведёт себя подобно водороду. Недавно даже открыли молекулярный позитроний Ps2.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. ну почему же ))
      а как насчет "ppu e" ?

      Удалить
    2. необратил внимания, что речь шла о легких изотопах

      Удалить
  11. Да, действительно. Но неужели и позитроний тоже считается изотопом водорода? Или антиводорода? :)

    ОтветитьУдалить
  12. Но неужели и позитроний тоже считается изотопом водорода?

    Для химиков (и физиков-атомщиков и прочих оптиков-спектроскопистов), думаю, считается, а для ядерщиков, понятно, нет.

    ОтветитьУдалить
  13. Вы говорите, что кроме мюония других аналогов водорода не существует. А как же тау-лептон? "Третья версия электрона"?

    ОтветитьУдалить
  14. Теоретически возможно, конечно, Вы правы, но реально хим. свойства не изучишь, слишком мало живет тау-лептон.

    ОтветитьУдалить
  15. Анонимный12/12/08 22:38

    Что знаю:
    Позитроний - "комплекс" (t_1/2=~=1e-8 сек) электрона и позитрона. Что такое атом водорода? Это - "сумма" электрона (лептона) и протона (адрона), обладающих противоположными электрическими зарядами.
    Причём - этот "комплекс" - устойчив (сравнительно с позитронием).
    Но - это НЕ изотоп водорода. Да, это - "водородоПодобный атом", но НЕ антиводород.
    Не "изотоп" водорода (изотопы - отличны лишь кол-вом нейтронов в ядре).
    Да, по хим.свойствам - подобен атомарному водороду. Но: молекулярный позитроний - насколько знаю, не был обнаружен.
    Оно и понятно: позитроний - бозон (т.е. спин - целочисленный, как то может быть у суммы двух фермионов).
    Dmitry, phch(a)ya.ru 13.12.08-2:40

    ОтветитьУдалить
  16. Спасибо, но непонятно, к чему Вы это написали. Кстати, молекулярный позитроний был обнаружен не так давно.

    ОтветитьУдалить
  17. У нас на химфаке при слове "позитроний" и "мюоний" стараются перевести разговор на другую тему)
    В термине "ион мюония" ничего необычного нет, как и ничего необычного нет в термине "протон" для химии. У физиков все происходит в вакууме, у химиков - в растворителе (вода, например). Поэтому, говоря "протон в растворе" подразумевают оксоний H3O+, это как минимум (есть еще H5O2(+), H7O3(+) и т.п.), или вообще, эстафетный механизм. С другой стороны, термины "протонодонорный", "протоноакцепторный", "апротонный", "протонирование" часто употребимы, и никто не путается. Никакой "химии элементарных частиц" особо нет, наоборот, где-то писали, "какой бы более легкий элемент физики не придумали, получается водород")

    ОтветитьУдалить