奇特原子化學

　　基本粒子物理與核化學相交的邊緣學科。主要研究物質的化學特性影響奇特原子形成和衰變的規律，以及利用可以形成奇特原子的基本粒子，如正電子、正介子、負介子等與物質的相互作用來研究物質結構和反應動力學等化學問題。該學科提供瞭一種研究分子的電子結構和材料化學性質的新途徑。

　　奇特原子　普通原子中的一個電子被其他帶負電的粒子，如μ^-、π^-等代替；；或是原子核中的一個質子被其他帶正電的粒子，如e⁺、μ⁺等代替而組成的原子。1970年E.H.S.伯霍普統稱它們為奇特原子或奇異原子。能夠形成奇特原子的基本粒子除瞭e⁺、μ^±、π^±外，還有K^-介子、反質子和負超子∑^-、Ξ^-、Ω^－等。

　　由一個正粒子代替質子與電子組成的類氫原子的英文命名是在該粒子名後加後綴 -ium。如（e⁺e^-）稱為positronium，(μ⁺e^-)稱為muonium，它們的化學符號分別是Ps和Mu，被譯為正電子素(或正子素、電子偶素)和μ子素。

　　由μ^-或π^-、K^-替換原子中的一個電子組成的奇特原子就稱為μ子原子、π介子原子、K介子原子等。

　　所有奇特原子都是不穩定的。它們的壽命最長不超過形成奇特原子的基本粒子在真空中的固有壽命(τ_μ≈2.2×10^-6秒，τ_π≈2.6×10^-8秒)。正電子本身是穩定的，但遇到電子會發生正電子湮沒；正電子素的壽命約為10^-7～10^-10秒。

　　簡史　最早被證實的奇特原子是1940年發現的 μ子原子，1951年發現瞭正電子素，1952年證實瞭π介子原子發出的X射線，1960年測到瞭μ子素。60年代初期發現物質的化學性質對奇特原子釋放的介子 X射線譜的結構有影響，還發現一系列金屬氧化物捕獲μ^-的幾率比（等於Z/8）隨金屬原子序數Z呈周期性的變化，最小值出現在元素周期表的開始處，從而推斷化學鍵類型對奇特原子的形成和衰變有影響。至60年代中期，從實驗上肯定瞭奇特原子的形成幾率和隨後的衰變方式與化學環境有密切聯系，由此發展出奇特原子化學這一新的研究領域。1970年發現瞭由反質子、Σ^-、Ξ^-組成的超子原子。

　　研究內容　該領域的研究可分兩個階段。第一階段是找出化學結構影響奇特原子的形成和衰變的規律。第二階段是根據觀測奇特原子的形成和衰變來獲取有關化學結構和化學反應動力學的新數據。在上述的奇特原子中，正電子素的研究已步入第二階段。

　　除瞭正電子來源於β⁺衰變的核素外，其他幾種粒子需要用中、高能加速器產生。正電子或用加速器產生的粒子束射入物質，經過慢化，正粒子與一個電子結合或負粒子被原子捕獲即形成奇特原子。

　　由μ^-、π^-等負粒子組成的奇特原子有兩個重要的特征：①由於量子數相同時軌道半徑與軌道上粒子的質量成反比，它們的半徑比普通原子的小得多；②由於軌道能級與軌道上粒子的質量成正比，做同樣躍遷時輻射能比電子躍遷能高幾百至幾千倍。形成奇特原子時，負粒子被捕獲在高激發態軌道上，隨後的躍遷過程放出一系列X射線，μ子原子釋放的X射線稱為μX射線。研究這類奇特原子化學主要靠測量這些X射線。

　　π^-被氫原子捕獲後與氫核發生特征的電荷交換反應π^-+p─→n+π⁰，π⁰接著又放出2個光子。以此鑒定材料中的氫，其他元素幹擾極小。氫的化學狀態強烈地影響其π介子原子的形成。利用π^-介子研究含氫材料的化學性質和氫鍵特征是奇特原子化學中一個頗有實用價值的課題。

　　正電子素和μ子素都是類氫原子。μ⁺質量是e⁺的207倍，所以μ子素更像氫原子（見表）。它們都具有特征的短壽命，可以作為氫的示蹤劑。

正電子素、μ子素與氫原子的比較

　　

參考書目

　E.Fluch and V.I.Goldanskii，et al.，ed.，ModernPhysics in Chemistry，Vol.1，Academic Press，London，1976.