Атом водорода и водородоподобные ионы. позитроний
Водород — первый элемент в таблице Менделеева, а атом водорода — самый легкий и наиболее просто устроенный атом. Его ядро состоит из одного протона, а оболочка — из одного электрона.
Водородоподобные ионы — это ионы, у которых в оболочке остался только один электрон. По своим свойствам они очень похожи на атом H, поэтому их удобно рассматривать вместе.
Так как масса ядра атома или иона в несколько тысяч раз больше массы электрона, то центр масс атомов и ионов практически совпадает с положением их ядер. Поэтому можно считать, что в системе координат, связанной с центром масс атома (иона), ядро покоится, а движутся только электроны.
Рассмотрим систему, состоящую из ядра с зарядом +Z|e| и электрона с зарядом -e. При Z = 1 это атом H, а при Z 1 — водородоподобный ион.
В квантовой механике показывается, что электрон, связанный в такой системе, может обладать энергией, принимающей только дискретные (отстоящие друг от друга) отрицательные значения:
En = -Z2 = E0Z2,
где n = 1, 2, 3, — главное квантовое число, E0 = -13,60 эВ — энергия электрона в основном состоянии атома водорода, m — масса электрона, k — кулоновский коэффициент.
Кратность вырождения уровней энергии электрона по l, ml, mS в рассматриваемых водородоподобных системах равна 2n2.
Существует ряд экзотических водородоподобных атомов, в которых электрон замещен отрицательно заряженной частицей — мюоном m- или одним из адронов: пионом p-, каоном K-, S-гипероном, антипротоном. Так как мюон гораздо слабее адронов взаимодействует с ядром, то вероятность захвата ядром для мюона существенно меньше, чем для адрона.
Поэтому мюонные атомы живут значительно дольше адронных. Время жизни легких мюонных атомов определяется временем жизни свободного мюона (~10-6 с).
Существует и еще одна очень интересная система, похожая на атом водорода. Это позитроний — связанное состояние электрона e и его античастицы — позитрона e+.
Размеры позитрония примерно вдвое превышают размеры атома H, а энергия связи позитрония в два раза меньше энергии связи водорода. Позитроний — нестабильная система, он быстро распадается за счет аннигиляции позитрона и электрона в γ-кванты.
Время жизни позитрония существенно зависит от взаимной ориентации спинов e+ и e-. В ортопозитронии (спины параллельны) электрон и позитрон превращаются в три γ-кванта за время 1,4 • 10-7 с, а в парапозитронии (спины антипараллельны) — в два γ-кванта за время 1,25 • 10-10 с.
