«МЕЗОННАЯ ХИМИЯ»

МЕЗОННАЯ ХИМИЯ

метод изучения структуры в-ва (возник в 60-х гг. 20 в.), к-рый использует известные св-ва мюонов (m±), p- и К-мезонов для получения данных об электронной оболочке молекул, кристаллич. и магн. структуре в-в, скоростях хим. реакций и т. д. В М. х. можно выделить четыре осн. направления исследований: p-- и m--M. х., изучение поведения m+ в в-ве и реакций мюония (связанной системы m+ е-).

В основе p--М. х. лежит использование яд. реакции перезарядки p-на ядрах водорода: p-+р®n+p°. Вероятность w этой реакции очень сильно зависит от заряда Z (в ед. заряда протона е) ядра атома Z, с к-рым связан водород в соединении ZmHn, и равна: w(ZmHn)»a(n/m)Z-3. Кроме того, коэфф. а в этой ф-ле даже при одном и том же Z зависит от типа хим. связи между атомами Н, в частности от степени ионности (полярности) связи. Т. о., p--мезонный метод позволяет надёжно отличить химически связанный водород от свободного. Напр., для аммиака NH3 и эквивалентной ему механич. смеси N2+3Н2 измеренное отношение

w(NH3)/1/2w(N2+3H2)»1/10.

В основе m--М. х. лежит измерение энергий и интенсивностей отд. линий рентгеновских серий в мюонных атомах (см. МЕЗОАТОМ) разл. хим. элементов. При захвате m- ядром на возбуждённые уровни и последующих переходах в осн. состояние испускаются характерные для каждого элемента g-кванты. Энергия излучаемых мезорентгеновских серий явл. хар-кой хим. элемента, ядро к-рого вместе с мюоном образует мезоатом. Такой спектральный анализ элементного состава в-в по существу ничем не отличается от обычного спектрального анализа. Однако в отличие от рентгеновских серий обычных атомов, относит. интенсивность отд. линий рентгеновских серий мезоатома зависит от вида хим. соединения, в к-рое входит исследуемый элемент. Это св-во рентгеновского излучения m--атомов положено в основу идеи нового метода анализа в-ва в закрытых контейнерах, к-рый в принципе позволяет определить не только элементный состав образца, но также и вид хим. соединения, составленного из этих элементов.

При изучении св-в в-ва с помощью m+ и мюония (Mu) используется наличие спина у мюона и эл-на, а также факт несохранения четности при распаде m+®e++ve+v=m. Направление вылета е+ в этой реакции коррелированно с направлением спина m+. Поэтому в магн. поле вследствие прецессии спина мюона с частотой wm= еН/mmс (где H — напряжённость магн. поля, mm, е — масса и электрич. заряд мюона) будет периодически меняться также интенсивность позитронов, вылетающих в нек-ром фиксиров. направлении (рис.);

Схема наблюдения спина мюона (m+ ). Магн. поле перпендикулярно плоскости рисунка; толстая стрелка — направление спина m+.

это даёт возможность следить за направлением спина m+. Т. о., m+, а также мюоний представляют собой по существу меченые атомы (см. ИЗОТОПНЫЕ ИНДИКАТОРЫ), за движением к-рых можно проследить от момента их рождения до момента распада. В частности, локальные магн. поля в кристалле взаимодействуют со спином m+ и изменяют картину прецессии его спина, что позволяет делать заключения о величине и распределении внутр. магн. полей в кристалле, изучать диффузию мюонов в кристаллах, обнаруживать фазовые переходы с изменением магн. структуры и т. д. Мюоний явл. аналогом атома водорода, поэтому, исследуя реакции мюония, можно сделать заключения о реакциях атомарного водорода. Т. к. спин мюония (в ортосостоянии) равен 1, а приведённая масса прибл. равна массе эл-на, частота его прецессии составляет wMu» еН/2mес. При вступлении мюония в хим. реакцию связь между m+ и е- разрывается и характер прецессии резко меняется, что позволяет определить абс. скорость хим. реакций мюония, а следовательно, и реакций атомарного водорода. С помощью мюония удалось моделировать состояние водородного атома в полупроводниках, растворах и т. д.

(химия элементарных частиц), раздел химии, изучающий системы, в к-рых либо ядро атома заменено на др. положит. частицу (m⁺ -мюон, позитрон), либо электрон заменен на др. отрицат. частицу (m^- -мюон, p^- -мезон, К ^- -мезон, S^- -гиперон, антипротон). Назв. М. х. возникло в 60-х гг. 20 в. в связи с исследованиями хим. р-ций, протекающих при взаимод. мюонов m⁺ (ранее относились к мезонам) с в-вом. С помощью М. х. получают данные о распределении электронной плотности, кристал-лич. и магн. структуре в-ва, механизме и скорости хим. р-ций. Наиб. исследованы атомные системы, включающие позитрон и мюон m⁺.

При столкновении позитронов е ⁺ с атомами в-ва в результате захвата позитроном электрона с определенной вероятностью, зависящей от св-в среды, образуется позитроний Ps-связанная система (е ⁺ е ^-), в к-рой электрон и позитрон обращаются относительно общего центра масс. Размер Ps 0,106 нм, потенциал ионизации 6,77 эВ, масса 1/920 массы атома Н. Позитроний может находиться в двух состояниях, отличающихся ориентацией спина электрона относительно спина е ⁺: орто-позитроний со спином, равным 1 (аннигилирует на 3 g-кванта; время жизни в вакууме t = 1,4^.10^-7 с) и пара-позитроний со спином, равным 0 (аннигилирует на 2 g-кванта, t = 1,25^.10^-10 с); соотношение вероятностей образования 3:1. При взаимод. Ps со средой его время жизни уменьшается. Измерения величины t и углового распределения разлета у-квантов позволяет изучать типы взаимодействий: аннигиляция на "чужих" электронах, орто-пара-конверсия (взаимный переход орто- и пара-позитрония вследствие р-ций с парамагн. частицами), хим. р-ции Ps, аналогичные р-циям атома Н (напр., присоединение по кратной связи, замещение, окислит.-восстановит. процессы и т. п.). Ввиду малой массы Ps в его взаимод. важную роль играет туннельный эффект. Позитроний широко используется при исследованиях механизма и кинетики разнообразных хим. процессов в газах и конденсир. средах, при изучении фазовых переходов, диффузии, связанных состояний в атомно-молекулярных системах, включая полупроводниковые, ионные и полимерные материалы.

Захват электрона мюоном m⁺ приводит к образованию атома мюония Mu-водородоподобного атома, в к-ром центр. ядром вместо протона является m⁺. Радиус атомной орбиты Ми 0,0532 нм, потенциал ионизации 13,54 эВ, масса 1/9 массы атома Н. Как и позитроний, мюоний может находиться в орто- и пара состояниях. Основные измеряемые характеристики Мu-степень ориентации спина относительно оси квантования m⁺ (поляризация) и ее изменения во времени (релаксация), зависящие от хим. р-ций Ми. В магн. пoлях мюон m⁺ и орто-мюоний претерпевают ларморову прецессию спина (системы спинов) с частотами, отличающимися в 103 раза, что позволяет экспериментально идентифицировать хим. состояние частиц. Ядерно-физ. эталонами времени при исследовании скорости взаимод. мюония с в-вом являются частота квантовых переходов между энерге-тич. состояниями мюония (w₀ = 2,804^.10¹⁰ с ^-1) и постоянная распада мюона m⁺ l = 4,545^.10⁵ с ^-1, но отношению к к-рым измеряются абсолютные константы скорости реакций.

Мюоний применяется при исследованиях кинетики быстрых и сверхбыстрых физ.-хим. процессов, спин-решеточной релаксации в кристаллах, спин-обменных взаимод. в полупроводниках, сверхпроводимости и др. вопросов физ. химии и физики твердого тела.

Характерная методич. особенность применения Ps и Мu-наличие в исследуемом объеме в-ва лишь неск. этих частиц, т. е. пренебрежимо малая степень превращения исходной среды. Исследование протекающих процессов проводится, как правило, на уровне элементарных актов взаимодействия. Области использования систем Ps и Ми взаимно дополняют друг друга и позволяют изучать важнейшие типы р-ций атома Н.

Отрицательно заряженные частицы (мюон m^-, p^-, К ^- -мезоны и др.) при торможении в среде образуют мезоатомы, в к-рых эти частицы играют роль "тяжелых" электронов. Образуясь первоначально в высоковозбужденных состояниях, мезоатомы в результате каскадных переходов при испускании g-квантов или оже-электронов переходят в основное состояние. Орбиты мезоатомов (их размер обратно пропорционален массе частицы) на 2-3 порядка меньше электронных орбит. При этом эффективный заряд ядра Z уменьшается на единицу, в результате чего мезоатом имеет электронную оболочку ядра Z-1. Т. обр., в принципе могут моделироваться атомы любых элементов, напр. при захвате и атомом Ne образуется мезоатом mF. Уникальны мезоатомы, состоящие из ядра водорода (протон, дейтрон, тритон) и отрицательно заряженной частицы, поскольку они являются нейтральными системами малого размера (напр., радиус мюонного атома водорода равен 2,56^.10^-11 см, а радиус пионного атома водорода - 1,94Х10^-11 см) и, подобно нейтронам, проникают внутрь электронных оболочек к ядрам, участвуя в разл. процессах. Так, напр., могут образоваться системы ddm и dtm,аналогичные мол. ионам водорода, в к-рых ядра вступают в р-ции "холодного" ядерного синтеза (dd³ Не + пили dt⁴He + п)с высвобождением m^-, осуществляющего послед. акты синтеза (мюонный катализ). Процессы захвата отрицательно заряженных частиц на мезоатомные орбиты и перехвата их др. атомами обусловлены строением электронной оболочки, что позволяет изучать структуру молекул и хим. р-ции мезоатомов.

Лит.: Кириллов-Угрюмов В. Г., Никитин Ю. П., Сергеев Ф. М., Атомы и мезоны, М., 1980; Гольданский В. И., Шантарович В. П., Современное состояние исследований "новых" атомов, в кн.: Физика XX века: развитие и перспективы, М., 1984, с. 136-87; Евсеев В. С., МамедовТ. Н., Рога-нов. B.C., Отрицательные мюоны в веществе, М., 1985. В. Г. Фирсов.

мезо́нная хи́мия

изучает строение вещества и некоторые физико-химические процессы с использованием мюония и позитрония.

раздел химии, изучающий системы, в к-рых либо ядро атома заменено на др. положит, частицу (n⁺-мюон, позитрон), либо электрон заменён на др. отрицат. частицу (n^--мюон, ПИ^--мезон, К^--мезон, Е^--гипером, антипротон). Наиб. исследованы атомные системы, содержащие позитрон и n⁺-мюон, т. е. позитроний и мюоний. Превращения мюония и позитрония в в-ве, сопровождающиеся жёстким эл.-магн. излучением, позволяют изучать природу хим. связи, строение в-ва, механизмы хим. реакций. М. х. возникла в 1960-е гг. в связи с изучением хим. процессов, протекающих при взаимодействии n⁺-мюонов (ранее относились к мезонам, отсюда назв.) с в-вом.