老胡说科学 / 待分类 / 走进奇异原子世界,它为何能引发新的物理...

分享

   

走进奇异原子世界,它为何能引发新的物理学,甚至促使能源突破?

2021-10-14  老胡说科学
自然界中的原子只包含三种亚原子粒子:质子、中子和电子,但物理学家们现在正在利用其他种类的亚原子粒子创造奇异原子( exotic atoms),以了解它们是如何运作的。
我们倾向于认为原子像不同种类的小球,但它们更像小型机器。每个原子的运作方式都有些不同。为了更好地了解它们是如何运转的,将原子中的某个部分替换掉,看看有什么变化。研究人员已经发现,有时关于原子如何运转的传统模型是错误的。
对奇异原子的间接研究可以追溯到20世纪50年代的早期同步加速器氦气泡室(Bubble Chamber。这些实验的测量结果非常不精确,只能确认它们的存在,但逐渐地,方法得到了改进,并导致对各种不能长期存在的原子进行越来越精确的实验。
到目前为止,K介子(kaon)、π介子(pion)、μ介子(muon)、反质子(antiproton)和西格玛超子原子(sigma hyperon atoms)都已经用X射线进行了观测。这种被称为X射线荧光光谱分析技术允许测量原子中的状态转换,但是,激光光谱学的直接合成和检测一直是比较困难的,因为激光光谱学要精确得多。
2010年,德国加兴的马克斯-普朗克量子光学研究所(MPQ)的Randolf Pohl和其他人创造了μ介子氢,其中一个μ介子代替了电子。利用激光,他们能够计算出质子的电荷半径,这对已知值提出了挑战。μ介子是像电子一样的轻子,具有相同的-1电荷和1/2自旋,并且没有亚结构,因此创造μ介子原子并不太困难。
对这些奇异原子的测量使我们能够研究原子物理的许多方面,并以高精度验证标准模型的预测。理解强相互作用是这里的一个主要动机,它开启了我们对相互作用强度、质量、磁矩、原子的核属性、放射性衰变和粒子-核相互作用等基础科学的理解,并在核聚变方面有应用。
最近,物理学家们用π介子创造了更多的奇异原子,π介子是由夸克和反夸克组成的介子。这要困难得多,因为当你向物质发射一束π介子时,会产生大量的新粒子。为了克服这个问题,研究人员从石墨中制造出π介子,并将光束定向到超冷超流氦-4上,创造出了π介子氦!
在1935年发现中子之后,人们预测了像π介子这样的介子。该粒子被预测为比电子质量大200倍。1947年,首次从宇宙射线中探测到带电的π介子,其质量和预测的大致相同。同年,原子物理学的两位巨头费米和泰勒都预测,通过用重的带负电荷的介子取代电子,可以形成奇异原子
孤立地看,一个π介子仅在26纳秒(一秒的十亿分之一)内衰变为一个μ介子和一个反中子。因此,这使得研究变得非常困难,但与试图用一个π介子制造一个原子时发生的情况相比,这不算什么。在这种情况下,原子会在不到一皮秒(一万亿分之一秒)的时间内衰变,并且π介子被吸收到原子核中。如果在氦原子中放置一个稳定的结构,π介子氦是“亚稳态的”,这意味着它持续的时间更长(10几纳秒)。另一个电子(氦有两个电子和两个质子)使原子保持稳定的时间更长,即使该原子与其他氦原子发生碰撞。
这种较长的寿命使得π介子氦气适合使用亚纳秒级的激光脉冲进行激光光谱分析,这使得科学家们能够窥探这种奇异原子的特性。激光引发了裂变过程,引起了一个电磁级联,使π介子撞向原子核,而裂变的产物:中子、质子和氘核,表明激光击中了一个π介子型氦气原子。
这项技术可以通过与量子电动力学(QED)的理论结果相比较,确定π介子以及μ介子反中微子的精确质量。基于这些测量,新的“第五种”力也可以被限制,从而限制了新的物理学。
这一切都归结于光谱学的魔力,我们用同样的技术来探测遥远的恒星。
光谱学使,甚至科学家能够研究原子在不同频率的光下发生的跃迁。你可以把原子想象成一个小机器,一个原子核在中心,电子围绕着它运行。由于原子是如此之小,电子是离域的(delocalised),这意味着它们以概率云的形式出现在原子周围。量子力学的另一个特征是,电子只能在特定的能量水平上生存。它们可以处于基态,占据最低能级,也可以处于较高能级。有多个电子的原子在每一层只能有一定数量的电子。
原子只有在与电子所能占据的能级相匹配的频率下才能吸收光子。这些频率是原子的光谱的一部分。当正确频率的光照射到原子时,电子会吸收能量并变得活跃。其后,它将衰变回其基态,并以特定频率的光的形式释放能量。不同的元素有不同的吸收光的光谱。这就是我们如何知道恒星是由什么组成的。
下显示了这个过程,光子撞击电子,使它“加速”到下一个水平,就像火箭加速一样。
这张图片很好理解,但却是错误的。真正过程一定比这更神秘。电子云只是吸收了能量并跳到下一级。在不涉及数学的情况下,下面一张更好的图片:
光子导致电子瞬间跳到一个更高的层次。
发射光谱与吸收相反。在这种情况下,一个原子以某种方式被激发,然后以特定频率的光释放能量。这就是激光是如何产生的。
我们用激光光谱学测量的几乎所有东西都涉及普通原子,而不是π介子原子,众所周知,能级是基于对电子的精确测量和理论预测。相比之下,π介子是由夸克组成的,与质子和中子的共享比电子多得多。此外,它们是由夸克和反夸克组成的,所以它们也包含反物质。
激光光谱学研究两个能级,有时被称为电子或π介子的主量子数,用符号n表示,以及角动量子数,用符号l表示。从一个主能级和角动量对(n,l)到另一个的跃迁被观察到在一个特定的光频率激发。占据n= 15-16附近高位置的π介子寿命更长。
寿命为皮秒的原子被称为“俄歇”原子,寿命为10纳秒的原子被称为亚稳态原子。
俄歇效应(The Auger effect是由被称为原子弹之母的利斯-迈特纳(Lise Meitner)在1922年发现的,指的是当内部空位被填充时从原子中发射电子。从本质上讲,有东西撞击原子导致一个内部电子被射出,另一个电子填补空缺,释放其能量,然后一个外部电子,称为俄歇电子,被射出。
  • 维基百科
这个俄歇过程,当应用于π介子时,导致它们迅速下降到原子核中,在那里它们导致原子核发生裂变。这发生在一万亿分之一秒内。然而,在亚稳状态下,这种情况不会发生,它需要数千倍的时间让π介子落进去。
在亚稳态下,由于π介子处于高能轨道上,俄歇效应被大大降低。你可以把这想象成一艘宇宙飞船,处于围绕一个星球的很高的轨道上,需要一段时间才能撞上它。
对π介子原子的研究可能导致对非微扰量子色动力学(QCD)的最严格的测试之一,即π介子和原子核之间通过强力的相互作用。任何差异都可能导致新的物理学诞生。即使是现在,实验也在推动理论计算的边界,并将QCD带到一个全新的验证水平。
这种水平的精确性可以将物理学完全带入新的方向,因为对强核力的理解远不如对电磁学的理解。它甚至可能导致新的、基于强力或弱力基础能源的突破。奇异原子是我们全面了解原子性质的一个关键组成部分。


    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>