奇異原子通常是指與一般原子構(gòu)成不同的原子，普通的原子是由電子e、質(zhì)子p和中子n這三種長壽的粒子構(gòu)成，但奇異原子卻是以其他的粒子代替這三種穩(wěn)定粒子中的一個或多個，通過電磁相互作用構(gòu)成。
性質(zhì)
舉例來說，普通的原子中的一個電子被其它帶負(fù)電的粒子，如µ、π等替代；或是原子核里的一個質(zhì)子被其它帶正電的粒子，如e、µ等替代而形成的原子；或是普通原子的電子和原子核中的質(zhì)子兩者同時被替代，如e和p組成的反氫，1970年E.H.S.博霍普將它們稱為奇特原子或奇異原子。能夠形成奇異原子的不穩(wěn)定粒子除了e、µ、π外，還有τ、K介子、D介子、反質(zhì)子p和超子Λ、Σ、Ξ、Ω等。
這些粒子都是在高能作用中產(chǎn)生的，除τ、D介子外，這些粒子的壽命都大于電磁相互作用引起的轉(zhuǎn)化與躍遷過程的特征時間(10秒)，這樣就有足夠的時間在它們衰變之前形成奇異原子。因為所有替代粒子都是不穩(wěn)定的，所以這些奇異原子的半衰期都很短，它們的壽命最長不會超過形成奇異原子的不穩(wěn)定粒子在真空中的固有壽命，如(τμ≈2.2×10秒，τπ≈2.6×10秒)。正電子本身雖然是穩(wěn)定的，但與電子相遇會發(fā)生電子正電子湮沒，電子偶素(ee)的壽命約為10～10秒。
由帶負(fù)電荷的粒子如µ或π、K替換原子中的一個或多個電子組成的奇異原子就稱為µ子原子、π介子原子、K介子原子等。由帶負(fù)電荷的粒子替換原子中的一個或多個電子可以組成奇異原子。包含µ的µ子原子，包含π、K等介子的π介子原子、K介子原子(介原子mesonic atom)，包含反質(zhì)子p的反質(zhì)子原子(antiprotonic atom)，包含Σ、Ξ、Ω等超子的Σ超子原子、Ξ超子原子、Ω超子原子(超子原子Hyperon atom)。K介子氫原子中，一個K介子在軌道上繞質(zhì)子旋轉(zhuǎn)，類似于氫原子中一個電子繞質(zhì)子旋轉(zhuǎn)，K介子原子的則是一個K介子和兩個質(zhì)子組成。
不同于輕子，強子之間有強相互作用，通過強相互作用強子對原子能級產(chǎn)生影響，強子軌道很低，可能會被原子核俘吸收獲，成為深度束縛。強子原子(Hadronic atoms)，如π介子氫原子和K介子氫原子，可以為將強相互作用作為探測器探討量子色動力學(xué)理論。
µ子原子muonic atom中μ子取代電子，μ子同電子一樣是一個輕子。輕子之間只有弱相互作用力、電磁力和引力，µ子原子對電磁相互作用很靈敏。μ子原子比其它奇異原子的壽命長百倍，因為μ子質(zhì)量為電子的207倍，根據(jù)庫侖定律它的外層軌道也比電子外層軌道尺寸小207倍，因此原子直徑相應(yīng)地也要小207倍，它的內(nèi)層軌道可能會穿過原子核，一旦被原子核俘獲會形成μ子分子，這對于研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、固體物理學(xué)和核化學(xué)有重要的意義。μ子催化融合是一個μ子原子的技術(shù)性應(yīng)用。
偶素(onium; onia)是粒子及其反粒子的束縛態(tài)，英文命名是在該粒子名后加后綴-ium。如典型的電子與正電子的束縛態(tài)電子偶素positronium(ee)化學(xué)符號是Ps，1950年對電子偶素進行了研究發(fā)現(xiàn)，非相對論量子電動力學(xué)(NRQED)可以為此提供理論支持。
π介子偶素pionium，兩種相反電荷的π介子的束縛態(tài)，為探索強相互作用時值得注意。K介子偶素Kaonium，兩種相反電荷的K介子的束縛態(tài)。質(zhì)子偶素protonium也是應(yīng)該存在的。具有強相互作用的電子偶素的類似物，不是奇異原子的夸克偶素quarkonium，也就是某些介子(同一夸克和反夸克組成)，通過對重夸克如夸克或底夸克(頂夸克質(zhì)量很大，在通過弱相互作用衰變前很短時間內(nèi)才能形成束縛態(tài))組成的夸克偶素介子的研究，是對量子色動力學(xué)的非相對論量子色動力學(xué)(NRQED)和點陣量子色動力學(xué)(lattice QCD)越來越重要的考驗。
(µe)稱為muonium，它的化學(xué)符號分別是Mu，被譯為渺子偶素(或µ子素)。盡管它的名稱是偶素，但它不是μ和µ的束縛態(tài)，而是µ和e組成，它的名稱由IUPAC制定。反渺子偶素(或反µ子素 Antimuonium)M=µe。
了解的強子的束縛態(tài)，如π介子偶素pionium和質(zhì)子偶素protonium也很重要，可以澄清相關(guān)的概念，奇異強子exotic hadron，如介子分子mesonic molecules和五夸克態(tài)pentaquark。
奇異原子有時也能形成分子，像渺子偶素(μe或Mu)的半衰期只有兩微秒，但科學(xué)家已經(jīng)可以合成氯化渺子偶素(MuCl)和渺子偶素化鈉(NaMu)。
超核，原子由電子和含超子的原子核組成，包含奇異量子數(shù)的粒子稱為超子。一般在核物理學(xué)的范圍內(nèi)研究超核。
發(fā)現(xiàn)
1940年中國物理學(xué)家張文裕在云室中了發(fā)現(xiàn)µ子原子能級之間躍遷時發(fā)出的特征光子，最早發(fā)現(xiàn)了由µ取代普通原子中一個電子e形成的µ子原子這一奇異原子。1951年發(fā)現(xiàn)了電子偶素。1952年卡馬克證實了π介子原子發(fā)出的X射線，發(fā)現(xiàn)了由π介子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的π介子原子。1960年休斯發(fā)現(xiàn)了電子e圍繞μ旋轉(zhuǎn)的μ子素，又發(fā)現(xiàn)了用正電子e圍繞μ旋轉(zhuǎn)的反μ子素，從而大大拓寬了奇異原子的類型。
后來又發(fā)現(xiàn)了K介子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的K介子原子，1970年發(fā)現(xiàn)了由反質(zhì)子p、超子Σ、Ξ圍繞原子核旋轉(zhuǎn)組成的超子原子類型的奇異原子。
研究
正電子e主要來源于β衰變的核素，其它幾種粒子需要用中高能粒子加速器產(chǎn)生，一般都是用俘獲法或重粒子衰變法產(chǎn)生奇異原子：
把高能加速器中產(chǎn)生的高速運動的粒子慢化到俘獲或被俘獲截面很大的狀態(tài)，使得帶負(fù)電的粒子取代原子中的電子被原子核捕獲（如µ子原子），或者帶正電的粒子捕獲電子（如μe原子）形成奇異原子；利用重粒子的衰變直接產(chǎn)生奇異原子〔如KL<→(πμ)+v〕。
奇異原子的性質(zhì)與組成它的粒子的性質(zhì)有密切關(guān)系，因此是原子物理和高能物理兩個領(lǐng)域共同研究的對象。形成奇異原子時，負(fù)粒子被捕獲在高激發(fā)態(tài)軌道上，隨后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µ子X射線。研究這類奇異原子主要靠測量這些X射線。奇異原子可以作為研究很多基本問題的“實驗室”。可用以檢驗除狄拉克方程以外的其他方程；研究庫侖力與靜電力的偏離、原子核的大小效應(yīng)等；利用μe原子這種輕子原子驗證電弱統(tǒng)一理論；利用奇異原子的形成和衰變以及原子能級之間的移動和躍遷，測量生成這些奇異原子的粒子的基本量和其性質(zhì)；利用原子能級躍遷值精確測定μ子、K介子、π介子、超子等粒子的質(zhì)量。
奇異原子有些是由負(fù)粒子µ子及介子或超子等強子組成，質(zhì)量、結(jié)合能比電子大兩到三個數(shù)量級，有著不同的自旋。奇異原子與普通原子相比有以下特點：
量子數(shù)相同時，軌道半徑與軌道上粒子的質(zhì)量成反比，奇異原子半徑會比普通原子的小兩到三個數(shù)量級；軌道能級與軌道上粒子的質(zhì)量成正比，能級躍遷時能量比電子躍遷能高幾百至幾千倍；具有多種不同的自旋角動量；基態(tài)不穩(wěn)定，奇異原子會因為其中壽命較短的不穩(wěn)定粒子中衰變而解體，或因為其“電子”與“核”碰到一起而衰變。
60年代初發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)對奇異原子釋放的介子X射線譜的結(jié)構(gòu)有影響，還發(fā)現(xiàn)一系列金屬氧化物捕獲µ的幾率比（=/8）隨金屬原子序數(shù)呈周期性的變化，其最小值從元素周期表的開始處出現(xiàn)，進而推斷化學(xué)鍵類型對奇異原子的形成和衰變有一定影響。到60年代中期，從實驗上肯定了奇異原子的形成幾率與衰變方式同化學(xué)環(huán)境有著密切聯(lián)系，由此發(fā)展出奇異原子化學(xué)這一新的研究領(lǐng)域。
奇異原子化學(xué)是粒子物理學(xué)與核化學(xué)相交叉的邊緣學(xué)科。這一研究主要有兩方面，首先是找出物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)影響奇異原子形成與衰變的規(guī)律，其次是通過觀測奇異原子的形成與衰變來獲取有關(guān)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的新數(shù)據(jù)，這為我們提供了一種研究分子電子結(jié)構(gòu)和材料化學(xué)的性質(zhì)的新途徑。
電子偶素和µ子素都是類氫原子，µ質(zhì)量是e的207倍，所以µ子素更像氫原子，它們都有具有特征的短壽命，可以作為氫的示蹤劑。π被氫原子浮獲后與氫核發(fā)生特征的電荷交換反應(yīng)π+p→n+π，π接著又釋放出2個光子，以此鑒定材料中的氫元素其他元素干擾極小。氫的化學(xué)狀態(tài)強烈地影響π介子原子的形成。奇異原子化學(xué)中一個頗具實用價值的課題就是利用µ、π介子研究含氫材料的化學(xué)性質(zhì)和氫鍵特征。
種類
著名的奇異原子
電子偶素(由正子和電子構(gòu)成)
雙電子偶素(由兩個電子偶素構(gòu)成的分子)
氫化電子偶素(由氫原子和電子偶素構(gòu)成的分子)
渺子偶素(由反渺子和電子構(gòu)成)
K介子原子(由K介子和質(zhì)子構(gòu)成)
反氫(由正電子和反質(zhì)子構(gòu)成)
奇異原子列表
粒子
復(fù)合粒子
參考資料 >