Изучение строения вещества с помощью мезонов (мезонная химия)

В последнее десятилетие на основе открытых советскими учеными явлений захвата отрицательно заряженных пионов ядрами химически связанного водорода, существования мюония в конденсированных средах, двух-частотной прецессии спина положительного мю-мезона в атоме мюония в магнитном поле и других достижений науки родилось новое научное направление - мезонная химия. Оно возникло в результате ряда теоретических работ и экспериментальных исследований, выполненных на мезонных пучках от ускорителя протонов в лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований, а также в других научных центрах Советского Союза.

Мезонная химия основана на использовании нестабильных элементарных частиц, в основном пи- и мю-мезонов. Мезоны фокусируются, формируются в пучки и направляются на исследуемые объекты. Полученные быстрые мезоны после замедления и остановки в веществе вступают в электромагнитные взаимодействия с молекулами или атомами вещества и образуют нестабильные радиоактивные атомы, во многих отношениях похожие на обычные. Эти атомы могут быть использованы для изучения поведения обычных атомов в среде.

Явление захвата отрицательно заряженных пионов ядрами химически связанного водорода

Сотрудники Объединенного института ядерных исследований член-корреспондент АН СССР Ю. Д. Прокошкин, доктора физико-математических наук С. С. Герштейн и Л. И. Пономарев и кандидаты физико-математических наук А. Ф. Дунайцев, В. И. Петрухин, В. И. Рыкалин открыли неизвестное ранее явление захвата отрицательно заряженных пионов ядрами химически связанного водорода, при котором на стадии, предшествующей ядерному захвату, происходит образование возбужденных мезомолекулярных комплексов с размерами порядка атомных.

В чем суть открытия и необычность явления, составляющего его основу? На этот вопрос отвечает Л. И. Пономарев:

"Известно, что отрицательно заряженные пи-мезоны, останавливаясь в веществе, очень активно взаимодействуют с ядрами его атомов. Если в состав вещества входят" атомы водорода, то происходит весьма характерная реакция, которую легко выделить среди прочих. Однако, как нами было установлено, интенсивность этой реакции в десятки и сотни раз уменьшается, если атом водорода входит в химическое соединение с атомами других элементов, образуя, например, воду или полиэтилен.

Экспериментально было доказано, что вероятность реакции перезарядки пи-мезонов на протонах резко зависит or типа химической связи атомов водорода в исследуемом веществе. Так, реакция перезарядки в гидразине в 30 раз менее интенсивна по сравнению с той же реакцией в эквивалентной механической смеси водорода и азота. Зависимость ядерного захвата от химической связи оказалась совершенно неожиданной.

Необычно то, что химические силы между атомами, так резко меняющие реакцию, в миллион раз слабее ядерных и по существовавшей теории не должны сдерживать их. Но представим себе широкую дорогу и поток машин. Если встретился узкий участок, то именно он определит скорость транспорта. Торможение ядерной реакции и можно сравнить с ролью узкого места на дороге".

Акт захвата отрицательного пиона ядром водорода регистрируется по характерной для пи-мезонов реакции перезарядки на протонах. Было установлено, что в водородсодержащих веществах вероятность захвата пионов ядрами водорода по сравнению с чистым водородом характеризуется как третья степень заряда ядра атома, соединенного с водородом. Обнаруженный эффект не зависит от плотности и агрегатного состояния вещества, а также от примесей тяжелых элементов.

При торможении и остановке отрицательно заряженные пионы водорода захватываются на высоковозбужденные мезомолекулярные уровни, которым отвечают ме-зонные орбиты, лежащие в области валентных электронов (т. е. орбиты, принадлежащие всей молекуле в целом, а не изолированным атомам). Размеры таких больших мезомолекул в сотни раз превышают размеры мезоатомов в основном состоянии, и только незначительная часть мезонов, захваченных на возбужденные мезомолекулярные уровни, образует при дальнейших переходах мезоатомы водорода и вступает в реакцию перезарядки.

На основе модели больших мезомолекул авторами открытия были предсказаны и экспериментально подтверждены особенности захвата пионов протонами в разных классах химических соединений - водородсодержащих веществах, смесях веществ, ионных соединениях, кислотах и т. д.

Обнаруженное явление подтверждено в СССР и за рубежом.

Открытие дает новый метод исследований электронной структуры молекул, строения соединений, содержащих водород, скоростей химических реакций. Как уже отмечалось, оно положило начало новому научному направлению- мезонной химии.

Использование открытого явления становится особенно перспективным в связи с созданием ускорителей с большими токами. На работах авторов открытия основываются обширные программы мезохимических исследований.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 164 с приоритетом от 4 апреля 1962 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление захвата отрицательно заряженных пи-мезонов ядрами химически связанного водорода с .предварительным образованием возбужденных мезомолекулярных комплексов, определяющих интенсивность ядерного захвата мезонов".

Явление существования мюония в конденсированных средах

Кандидат физико-математических наук М. Я. Балац, Л. И. Бабаев, Г. Г. Мясищева, Ю. В. Обухов, доктор химических наук В. Г. Фирсов (Институт теоретической и экспериментальной физики) и В. С. Роганов (Объединенный институт ядерных исследований) открыли неизвестное ранее явление существования водородоподобного атома мюония в конденсированных химических средах.

Эксперименты были начаты на пучках положительных мю-мезонов синхроциклотрона лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований. Было установлено, что положительно заряженный мю-мезон после торможения и остановки может оторвать электрон у одного из атомов вещества и образовать не существующий в земных условиях новый атом мюоний - легкий радиоактивный изотоп водорода. Он состоит не из электрона и протона, а из электрона и положительного мю-мезона. Таким образом, ядром нового, искусственного атома является в 9 раз более легкая, чем протон, нестабильная частица - положительный мю-мезон.

Многие зарубежные исследователи пытались обнаружить атом мюония в конденсированных средах, однако их попытка не увенчалась успехом. Советским ученым удалось решить эту проблему.

"Атомарный мюоний, - рассказывает В. С. Роганов, - обнаружен нами по ларморовой прецессии (вращению) спинов его триплетного состояния в поперечном магнитном поле в кристаллическом кварце, а также во льду, монокристаллах германия и углекислоте.

Атом мюония легко вступает в химические взаимодействия. Поэтому для обнаружения мюония было необходимо сформулировать ряд требований к свойствам исследуемого материала. К ним относятся условия весьма медленного протекания химических реакций мюония с образованием молекулярных продуктов, незначительное влияние кристаллической решетки, а также других причин, приводящих к образованию достаточно глубоких электронных ловушек, отсутствие химически активных и парамагнитных примесей. Существенна также скорость конверсионного обмена со средой электронов с противоположным направлением спина, влияющая на продолжительность существования поляризованного атома мюония. Раньше эти факторы не учитывались, что приводило к безуспешным поискам ларморовой прецессии мюония в конденсированных средах.

Обнаружение нового явления имеет важное научное и практическое значение. Оно открывает широкие перспективы использования мюония как аналога атомарного водорода в исследованиях в области физики твердого тела и полупроводников, химической кинетики, квантовой химии и атомной физики. Открытие особенно важно для создания новых методик проведения экспериментов по физике твердого тела и определения абсолютной скорости различных химических реакций.

Картина химических взаимодействий мюония послужила основой для разработки метода определения констант скорости его химических реакций с веществом с образованием молекулярных и радикальных продуктов. С помощью мюониевого метода исследуются также энергии активации реакций с участием отличающихся помассе водородоподобных атомов, магнитные взаимодействия мю-мезона, ядер и неспаренных электронов в молекулах, делокализация электронной плотности, роль водородных связей при фазовом переходе. Особо следует подчеркнуть возможность сопоставления аналогичных процессов с участием мюония и атомарного водорода".

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 161 с приоритетом от 3 ноября 1965 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление существования атомарного мюония, впервые наблюдавшегося в конденсированных химически инертных средах по ларморовой прецессии системы спинов его триплетного состояния в поперечном магнитном поле".

Явление двухчастотной прецессии спина положительного мю-мезона в атоме мюония в магнитном поле

Член-корреспондент АН СССР И. И. Гуревич, доктора физико-математических наук И. Г. Ивантер и Б. А. Никольский, кандидаты физико-математических наук В. И. Селиванов, В. П. Смилга, И. В. Яковлева, кандидаты технических наук Е. А. Мелешко, Л. А. Макарьина, Б. В. Соколов, В. Д. Шестаков (Институт атомной энергии имени И. В. Курчатова) и В. С. Роганов (Объединенный институт ядерных исследований) открыли неизвестное ранее явление двухчастотной прецессии спина мю-мезона в атоме мюония.

Факт существования атома мюония в химических инертных веществах дал возможность изучать его поведение в конденсированных средах и исследовать его свойства.

Авторы теоретически предсказали, а затем обнаружили в экспериментах на пучках мезонов синхроциклотрона, что спин мю-мезона в атоме мюония прецессирует в слабом магнитном поле с двумя близкими частотами, из-за чего возникает характерная картина биений. Причиной их является то, что основное состояние атома мюония в магнитном поле расщеплено на четыре подуровня, т. е. атом находится в нескольких стационарных состояниях, между которыми осуществляются переходы разной частоты.

Такие переходы были экспериментально установлены в 1969 г. Двухчастотная прецессия мю-мезона в атоме мюония наблюдалась в кварце, германии и во льду. С помощью метода двухчастотной прецессии были с высокой точностью измерены частоты сверхтонкого расщепления. В кварце и во льду они оказались совпадающими с их значениями для мюония в вакууме. Для германия эти значения существенно меньше. Все это помогло определить размеры атома мюония в среде.

Открытие позволило определить отличие структуры атома мюония, внедренного в конценсированную среду, от структуры атома мюония в вакууме. Оно дает возможность изучить свойства атома мюония, изучать его размеры в среде, получать информацию о процессах, которые характеризуются волновой функцией электронов в месте расположения мю-мезона, т. е. практически на протоне. Исследования выявляют механизмы взаимодействий водородоподобных примесных атомов с кристаллической решеткой в различных соединениях.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 162 с приоритетом от 1 мая 1969 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление двухчастотной прецессии спина положительного мю-мезона в атоме мюония, обусловленное контактным взаимодействием магнитных моментов положительного мю-мезона и электрона мюония в слабом поперечном магнитном поле".