28 января 2011 г.

Многомерная таблица Менделеева

Тут некоторые читатели очень впечатлились от моего рассказа про позитроний: вот, пожалуй, самое возвышенное описание позитрония, которое я когда-либо встречал :) Но только я хочу сделать маленькую поправку относительно его места в периодической системе элементов, ну и заодно напомнить про то, что еще можно сделать с таблицей Менделеева и таблицей изотопов.

Нулевой элемент

Традиционно, нулевым элементом принято считать просто нейтрон. Нуль протонов, 1 нейтрон, такое вот ядро, ну а что оно электроны удержать рядом с собой не может — дело второстепенное. Кстати, тут есть интересный вопрос: а бывают ли другие изотопы у этого нулевого элемента? Ну или простыми словами, могут ли группки из нескольких нейтронов держаться вместе за счет ядерных сил, не разваливаясь?

Это вопрос совсем нетривиальный и более того, до конца не выясненный. Точно известно, что два нейтрона в свободном состоянии вместе удержаться не могут, хотя пытаются — между ними есть притяжение, но оно слишком слабое, чтоб удержать их вместе (это кстати типично квантовый эффект). А могут ли удержаться вместе четыре нейтрона? Лет 8 назад были некие данные с французского ускорителя тяжелых ионов Ganil, в которых вроде бы регистрировались кластеры нейтронов, но что-то эти данные потом воспроизвести не удалось. Теоретики склоняются к тому, что существование таких кластеров вряд ли возможно (уж слишком сильно надо «натягивать» ядерные модели, чтоб такое состояние стало возможным) — но чем черт не шутит. В общем, полной ясности нет.

Антитаблица Менделеева

Таблицу элементов можно, конечно, продолжать и в отрицательную сторону. В природе есть антипротоны, антинейтроны и позитроны, из них можно сложить антиядра и антиатомы. Они будут вполне стабильными, как и обычные атомы, и их можно считать элементами минус один, минус два и т.д. Легчайшие антиядра успешно рождались в экспериментах (и даже на Большом адронном коллайдере), а антиводород уже умеют даже накапливать в виде облачка и охлаждать его. Вот для интересующихся популярная статья из СОЖ 1999 года, вот заметка 2002 года на Сайентифике и совсем свежие статьи в «Популярной механике»: раз и два.

А можно ли объединить вместе в одно ядро протоны/нейтроны и антипротоны/антинейтроны? Формально можно, но ничего хорошего от этого не выйдет, т.к. нуклоны и антинуклоны проаннигилируют или превратятся в легкие мезоны — причем тут же, а не будут долго крутиться друг вокруг друга, как в позитронии. Единственный случай, когда, возможно, имеет смысл говорить о каком-то метастабильном состоянии — это пара протон-антипротон, связанная кулоновскими силами (аналог позитрония, только для протонов). Регулярно появляются экспериментальные намеки на такую возможность, но абсолютно надежно интерпретировать эти намеки пока нельзя. Ну в любом случае это уже относится в физике элементарных частиц, а не к ядерной физике.

Многомерная таблица изотопов

В обычном веществе в ядрах сидят только протоны и нейтроны, из-за чего таблица изотопов получается двумерной. Для каждого химического элемента (т.е. кол-ва протонов — одно измерение) можно менять изотопы (т.е. кол-во нейтронов — второе измерение).

Но в ядра можно также добавлять и другие частицы. Например, лямбда-гипероны (их проще всего), сигма-гипероны и так далее — в общем разнообразные метастабильные тяжелые частицы наподобие протонов и нейтронов, но только сделанные из других кварков. Эти частицы нестабильны, распадаются на наносекунды, и ядра с их участием — тоже, но как мы знаем уже из примера позитрония, наносекунды — это очень много для атомной физики. Так что такие ядра давно и успешно получают и изучают. Называются они гиперядра.

Лямбда-гипероны, сигма-гипероны и т.д. можно добавлять в ядра независимо от протонов и нейтронов. Поэтому такие гиперядра образуют уже не двумерную, а многомерную таблицу — по одному измерению на каждый тип частиц. Правда экспериментально эти дополнительные измерения изучать непросто, но кое-что уже «прощупали». Вот картинка с наброском такой таблицы, на которой по вертикали отложена «странность» гиперядра. Насколько я понимаю, на ней показаны те гиперядра, которые уже наблюдались в эксперименте.

Таблица открытых гиперядер (источник).

Кстати, недавно было зарегистрированно и первое антигиперядро.

И снова про позитроний

Ну и возвращаясь к позитронию — а где же ему полагается находиться в таблице Менделеева или таблице изотопов? А черт его знает :) Лично мне кажется, что ни его, ни другие подобные состояния к ядрам или атомам относить неправомерно. Это просто связанные состояния элементарных частиц.

Update: с подачи antihydrogen узнал, что есть такая экзотическая штука, как антипротонный гелий — ядро гелия, вокруг которого крутится антипротон (ну и электрон для нейтральности). Непонятно даже, считать это атомом или молекулой.

24 комментария:

  1. Анонимный28/1/11 04:31

    Глупый вопрос не по теме. А как получают антипротоны на Теватроне в таких больших количествах? Это же наверное очень энергозатратно?

    ОтветитьУдалить
  2. Вопрос:
    А антивещество имеет (будет иметь) такие же химические и физические свойства, как и обычное вещество? Если другие, то почему?
    Статьи по ссылкам просмотрел наискосок - там на эту тему сказано слегка противоположное.

    ОтветитьУдалить
  3. Из атомов с неправильным ядром, можно ещё мюоний вспомнить.

    ОтветитьУдалить
  4. анонимному комментатору: антипротоны получают, посылая пучок 120-Гэвных протонов на мишень и отбирая среди всей кучи частиц антипротоны. Энергия вкладывается в пучок протонов, и затем небольшая ее часть тратится на создание антипротонов. Выход антипротонов — десятки млрдю в час. Ну, энергозатратно конечно, но не так, чтоб слишком.

    to frog: на основании уже известной физики ожидается, что свойства антивещества будут такие же, как у вещества. Однако в разных экзотические теориях предсказываются кое-какие слабенькие отличия. Их будут проверять в ближайшее время в экспериментах с антиводородом в ЦЕРНе.

    to bolk: ну да, у меня последняя ссылка как раз на мюоний стоит.

    ОтветитьУдалить
  5. И уж совсем непонятно, куда в таблице Менделеева засунуть атом [;p\bar{p};] (связанный кулоновскими силами, а не гипотетическое ядро, про которое вы говорили), а в особенности атом He[;\bar{p};]e, который живет то даже подольше ортопозитрония. Правда, народ выкрутился, обозвал его атомкулой http://en.wikipedia.org/wiki/Antiprotonic_helium

    Может, позитроний тоже того, считать сверхлегкой атомкулой? :)

    ОтветитьУдалить
  6. Про такое я вообще не знал! :) Круто, сейчас добавлю.

    ОтветитьУдалить
  7. Я всегда поражался гелию и его свойствам: резкий фазовых переход, квантовое состояние с зарядом в половинку электрона и проч., правда собирал все это по крупицам и целостных знаний нет. Может вы сами знаете что-то интересное про гелий или есть какая-нибудь интересная статья (кроме вики, а еще бы и на русском, но не обязательно :)) в более-менее популярном изложении?
    Спасибо :)

    ОтветитьУдалить
  8. to Vanger: ну вот вам еще в коллекцию. Только я не помню что-то, какая такая половинка электрона?

    ОтветитьУдалить
  9. Кстати, раз уж про связанные состояния нейтронов пошла речь - вообще возможны более-менее сложные "ядерные молекулы"?

    Т.е. несколько устойчивых структур, связанных сильным взаимодействием, а не электромагнитным. У Роберта Форварда это была основа форм жизни на поверхности нейтронных звёзд.

    Гугл подсказывает, что что-то подобное есть, но деталей маловато.

    ОтветитьУдалить
  10. Анонимный28/1/11 18:36

    С ув., но никакие 'кластеры' нейтронов не могут cуществовать даже при температуре абсолютного нуля. Нас так профессора учили.
    Суть не помню но там есть силы расталкивания, маленькие, но не компенсирующиеся..

    ОтветитьУдалить
  11. to Cyberax: ну вот ядра — чем не ядерные молекулы? Другое дело, что сильно несферическую форму получить нереально. Для этого нужны какие-то страшно анизотропные силы, которых в реальном мире нет. А что именно вам гугл подсказывает?

    анонимному комментатору: плохо, значит, вас профессора учили. Конечно есть отталкивательная сердцевина в потенциале, но она быстро спадает с расстоянием, и там начинает действовать притяжение. Экспериментально измеренная длина рассеяния для нейтрон-нейтронного состояния в S-волне отрицательна (и очень большая), что говорит об общем притяжении между нейтронами в таком состоянии, а также о том, что еще чуть-чуть и было бы связанное состояние.

    ОтветитьУдалить
  12. Сам факт наличия нейтронных звезд имхо говорит от том, что "группка нейронов" может держаться не разваливаясь ;-). Но вот то, что их не 4 штуки, а поболее (около предела Чандрасекара) - конечно не факт, но видимо и не ересь. В противном случае БАК-овский апокалипсис по схлопыванию планеты в миллимитровый шарик нейронов был бы неизбежен :). Шутка конечно ...

    ОтветитьУдалить
  13. Нейтронные звезды — объект из другой оперы, он держится вместе за счет гравитации.

    ОтветитьУдалить
  14. О, я всегда интересовался химией и мысль о возможности существования экзотических атомов, составленных из чего-то, отличающегося от привычных протонов/нейтронов с электронами, всегда меня интриговала. Однако, насколько я знаю, все известные экзотические атомы - неустойчивы. Конечно, для ядерных процессов микросекунда - это огромное время, но в человеческом масшатбе времени это всё равно почти нуль. Ни позитроний, ни мюонный водород не соберёшь в пробирке.
    А могут ли существовать сравнительно устойчивые атомоподобные образования? Вообще, что определяет устойчивость в данном случае? Почему свободный нейтрон распадается, а нейтрон в составе ядра стабилен. Могут ли быть столь же стабильны гипер-ядра?

    ОтветитьУдалить
  15. to Igor Ivanov:

    Не, ну с ядрами всё понятно. Отталкивающий эффект, в принципе, можно получить за счёт давления вырожденного газа. Это точно должно происходить в глубине нейтронных звёзд, где нейтронам энергетически выгодно покидать ядра.

    Вот находится: http://www.worldscibooks.com/physics/2318.html , http://www.aip.org/pnu/1991/split/pnu029-2.htm и http://www.ph.surrey.ac.uk/UserFiles/File/Wheldon.pdf ("ковалентные нейтроны" - в копилку удивительных терминов).

    Есть ещё статьи, но за paywall'ами, у меня к ним нет доступа.

    ОтветитьУдалить
  16. Поскольку даже вы не знали об столь замечательном объекте, я сваял о нем популярный пост и позволю себе его пропиарить http://antihydrogen.livejournal.com/11824.html

    Краткое содержание - электрон нужен не только для нейтральности

    ОтветитьУдалить
  17. Анонимный29/1/11 23:10

    Игорь, пожалуйста расскажите про CP нарушения в своих следующих заметках.
    Очень интересная тема а популярного по ней ничего нет. Очень прошу.)


    ПС: если можно не добавляйте пост к ветке.

    ОтветитьУдалить
  18. Что-то путаница. В одних местах указывается среднее время жизни, в других - период полураспада. Я уж забыл, это одно и то же, или там не единичный коэффициент.

    ОтветитьУдалить
  19. Период полураспада = ln(2)*время жизни.

    ОтветитьУдалить
  20. "Ну и возвращаясь к позитронию — а где же ему полагается находиться в таблице Менделеева или таблице изотопов? А черт его знает :)".

    Раньше Вы писали: "химические свойства веществ определяются электронными оболочками".

    У элементов с номерами +1, +2, +3 и т. д. — электронные оболочки, у элементов из антитаблицы с номерами -1, -2 и т. д. — позитронные оболочки.

    С этой точки зрения, на границе таблицы и антитаблицы в качестве химического элемента с номером 0 позитроний очень подходит: он нейтрален (не относится ни к веществу, ни к антивеществу) и у него есть электронная оболочка (если считать, что позитрон выступает в качестве ядра) или позитронная, т. е. элемент +0 для таблицы и -0 для антитаблицы... :)

    ОтветитьУдалить
  21. "т. е. элемент +0 для таблицы и -0 для антитаблицы..."
    как-то слишком смело

    ОтветитьУдалить
  22. Анонимный8/2/12 14:13

    Нулевой и есть позитроний, а нейтрон - частица, а не атом. Антиводород - минус первый, антигелий - минус второй, а между водородом и антиводородом квазиатом вообще без ядра, но с двумя лептонами обоих типов.

    ОтветитьУдалить
  23. Анонимный8/2/12 14:14

    А если нейтрон нулевой, то куда девать антинетрон? Двух нолей не бывает, это не олимпийские кольца.

    ОтветитьУдалить
  24. Анонимный4/5/12 20:43

    Спасибо ребята, к концу прочтения новости и комментов сломал себе мозг.

    ОтветитьУдалить