В новой работе Мухаммад Голи (Mohammad Goli) и Шант Шахбазиан (Shant Shahbazian) из Университета Шахид Бехешти (Иран) [3] предлагается рассмотреть два новых легких элемента, которые, однако, правильнее было бы назвать изотопами. Это мюоний (Mu), в котором электрон вращается вокруг положительно заряженного мюона (μ+), и мюонный гелий (Heμ), в котором электрон вращается вокруг «ядра», состоящего из α-частицы и отрицательного мюона. Благодаря такому строению ядра электрон в мюонном гелии гораздо более сближен с ядром, чем в обычном гелии.

Кажется, что возможности Периодической системы по ее расширению воистину безграничны. В последнее десятилетие в Таблице Менделеева чуть ли не каждый год атом за атомом появляются новые сверхтяжелые элементы, ядра которых получают в ускорителях.

Помимо атомов классических, состоящих из ядер и электронов, в последние годы появляется информация и о других видах атомоподобных строительных систем – полиатомных «суператомов» [1] или наночастиц, для которых «валентность» формируется за счет линкеров на основе ДНК [2]. Однако с момента опровержения теории «мирового эфира» и до настоящего времени ни у кого не было сомнений в том, что на первом месте в Периодической системе находится водород.

Рис. 1.

Новые «атомы» можно считать аналогами водорода, в котором водород вращается вокруг ядра с зарядом +1, однако отличаются от него по массе. Масса мюона, представителя лептонного семейства фермионов (или попросту говоря, более тяжелого родственника электрона или позитрона), составляет 0,11 атомных единиц массы, так что масса мюония составляет примерно одну десятую массы нуклида ¹H, в то время как масса мюонного гелия равна 4.11 а.е.м.

Оба «атома» были получены на ускорителях элементарных частиц, в которых высокоэнергетические столкновения приводят к образованию мюонов, которые затем могут быть либо перехвачены атомом гелия, либо сами могут захватить электрон.

Некоторые такие ускорители позволяют получать мюонные пучки такой плотности, что через цепочку столкновений, протекающих с потерей энергии, образуются мюонные атомы с энергией достаточно низкой для возможности протекания химической реакции. Время жизни мюона составляет около 2.2×10^–6 секунд, что сравнимо со временем жизни трансфермиевых элементов. По правде говоря,

химические свойства этих мюонных атомов уже выступали в качестве объекта исследования – скорость их реакции с молекулярном водородом не только подтвердила то, что эти мюонные атомы похожи на водород, но и продемонстрировала значения кинетических изотопных эффектов, соответствующие предсказанным на основе квантово-химических вычислений.

Итак, несомненно, у Mu и Heμ есть своя химия. В таком случае, кажется разумным найти этим «псевдоэлементам» место в Периодической Системе. Дик Заре (Dick Zare) из Стенфорда, возможно знающий о классической реакции H+H₂, больше всех в этом мир, однажды заявил, что, если бы мюонию нашлось место в таблице Менделеева, взаимодействие атомного и молекулярного водородов было бы изучена еще лучше.

Тем не менее, остается открытым вопрос – ведут ли себя эти экзотические атомы подобно атомам тогда, когда они образуют молекулы? Являются ли они и в составе молекул водородоподобными, несмотря и на то, что мюоний столь легок? Дело в том, что обычные квантово-химические методы опираются на значительном различии масс электрона и ядра для того, чтобы разделить степени свободы электронов и ядра (в соответствии с приближением Борна-Оппенгеймера). Не может ли случиться такого, что мюон просто сольется с другими атомами, утеряв свою идентичность.

Для изучения этих вопросов Голи и Шахбазиан провели расчеты, целью которых было предсказание электронных конфигураций соединений Mu и Heμ с позиции положений квантовой теории строения атомов и молекул, чтобы предсказать топологию распределения электронной плотности. Предложенное иранскими учеными расширение классических квантовых методов предполагает рассмотрение и ядер и электронов в качестве квантовых волн; такое нововведение позволило описать свойства мюонных атомов в приближении Борна-Оппенгеймера [5].

Голи и Шахбазиан рассчитали электронные структуры всех возможных двухатомных композиций Mu и Heμ с тремя обычными изотопами водорода. Было обнаружено, что

во всех изученных случаях мюон или мюонсодержащий фрагмент остается в рамках «атомного бассейна», содержащего только одну положительно заряженную частицу, соответствующую настоящему ядру атома, при этом в изученных системах не наблюдался вклад состояний, которые могли бы описываться как результат «распыления мюона».

Более того, Mu и Heμ соответствуют закономерностям, проявляющимся и для других изотопов водорода – их электроотрицательность возрастает с ростом их атомной массы. Особенно это отражается для молекул Mu–H, где существует значительное распределение зарядов: Muδ+–Hδ–.

Это обстоятельство заставляет в очередной раз инициировать обсуждение того, можно ли считать мюоний сверхлегким нуклидом водорода или достоин своей собственной «клетки» в Периодической системе.

Очевидно, что существующий в настоящее время бестиарий элементарных частиц может предоставить новые возможности для получения новых, еще более экзотических атомов. Голи и Шахбазиан планируют распространить свои изыскания на моделирования атомов, содержащих положительно и отрицательно заряженные пионы, однако эти объекты будут еще более сложны для экспериментаторов – время жизни этих мезонов составляет около 20–30 наносекунд. Еще большей экзотикой могут оказаться ядра, полностью состоящие из антивещества или «странных кварков» («странное вещество») [6]. В любом случае, понятно, что существует еще огромное количество объектов, из которых можно получить экзотические атомы или атомоподобные частицы.

Источники:

[1] J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 2664 (DOI: 10.1021/jp806850h);

[2] Angew. Chem., Int. Ed., 2013, 52, 5688 (DOI: 10.1002/anie.201209336);

[3] M Goli and Sh Shahbazian, 2013, http://www.arxiv.org/abs/1311.6431;

[4] J. Chem. Phys., 2011, 135, 184310 (DOI: 10.1063/1.3657440);

[5] Theor. Chem. Acc., 2011, 129, 235 (DOI: 10.1007/s00214–011–0927–7);

[6] Science, 2010, 328, 58 (DOI: 10.1126/science.1183980).