МЕЗО́ННАЯ ХИ́МИЯ

МЕЗО́ННАЯ ХИ́МИЯ, ме­тод изу­че­ния струк­ту­ры ве­ще­ст­ва, ос­но­ван­ный на ис­поль­зо­ва­нии спе­ци­фи­че­ских свойств мюо­нов ($μ^+, μ^–$) и от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ных ме­зо­нов ($π^–, Κ^–$). Стал­ки­ва­ясь с ато­ма­ми и мо­ле­ку­ла­ми, от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные мюо­ны и ме­зо­ны ($μ^–, π^–, Κ^–$) мо­гут за­мес­тить один из элек­тро­нов атом­ной обо­лоч­ки и об­ра­зо­вать ме­зо­ато­мы и ме­зо­мо­ле­ку­лы. В М. х. изу­ча­ют­ся и/или ис­поль­зу­ют­ся хи­мич. пре­вра­ще­ния ме­зо­ато­мов (ме­зо­мо­ле­кул), а так­же сис­тем, в ко­то­рых функ­цию яд­ра ато­ма вы­пол­ня­ют $μ^+$-мюо­ны. Ме­тод при­ме­ня­ет­ся для ис­сле­до­ва­ния хи­мич. и кри­стал­лич. струк­ту­ры ве­ществ, их маг­нит­ных свойств, мо­де­ли­ро­ва­ния хи­мич. ре­ак­ций ато­мов и т. д. Воз­ник в 1960-х гг.

В М. х. мож­но вы­де­лить неск. осн. на­прав­ле­ний. Мю­он­ные ато­мы и мо­ле­ку­лы об­ра­зу­ют­ся, как пра­ви­ло, в вы­со­ко­воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ни­ях ($n$ по­ряд­ка 14) и за­тем пе­ре­хо­дят в осн. со­стоя­ние ($n=1$), ис­пус­кая $γ$-кван­ты. Ин­тен­сив­ность этих пе­ре­хо­дов за­ви­сит от за­ря­да яд­ра $Z$ ато­мов хи­мич. эле­мен­тов, вхо­дя­щих в со­став мо­ле­кул, и от ти­па хи­мич. свя­зи ме­ж­ду ато­ма­ми (в ча­ст­но­сти, от сте­пе­ни ион­но­сти). По­это­му, из­ме­ряя час­то­ту и рас­пре­де­ле­ние ин­тен­сив­но­стей $γ$ -пе­ре­хо­дов, мож­но оп­ре­де­лять эле­мент­ный со­став ве­ще­ст­ва и строе­ние хи­мич. со­еди­не­ния, в ко­то­рое вхо­дит ис­сле­дуе­мый эле­мент (хи­мич. струк­ту­ру).

Со­глас­но кван­то­вой ме­ха­ни­ке, раз­ме­ры ме­зо­ато­мов $Z_0μ^–$ в осн. со­стоя­нии мень­ше раз­ме­ров обыч­ных ато­мов бо­лее чем в 200 раз. По­это­му при за­хва­те $μ^–$-ме­зо­нов об­ра­зу­ют­ся ме­зо­ато­мы, в ко­то­рых за­ряд яд­ра умень­ша­ет­ся на еди­ни­цу (мезoатом $Z_0μ^–$ «ста­но­вит­ся» ядром со­сед­не­го ато­ма с за­ря­дом $Z=Z_0- 1$). По­сколь­ку мю­он рас­па­да­ет­ся за вре­мя 2,2·10^–6 с, ме­зо­ато­мы $Z_0μ^–$ мож­но ис­поль­зо­вать по­доб­но ра­дио­ак­тив­ным изо­топ­ным ин­ди­ка­то­рам и, на­блю­дая ре­ак­ции ме­зо­ато­ма $Zμ^–$, по­лу­чать ин­фор­ма­цию о ме­ха­низ­ме хи­мич. ре­ак­ций ато­ма $Z$ с за­ря­дом $Z=Z_0- 1$ (напр., ме­зо­атом не­она $\ce{^{20}Neμ^–}$ мо­жет слу­жить мо­де­лью ато­ма фто­ра $\ce{^{19}F}$).

Ме­зо­атом во­до­ро­да $pμ^–$ (со­стоя­щий из про­то­на и от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­но­го мюо­на $μ^–$) элек­тро­ней­тра­лен, а его раз­ме­ры ма­лы (ок. 10^–11 см), по­это­му он, по­доб­но ней­тро­ну, мо­жет сво­бод­но про­ни­кать внутрь элек­трон­ных обо­ло­чек др. ато­мов и мо­ле­кул (в мо­ле­ку­лах рас­стоя­ние ме­ж­ду яд­ра­ми ок. 10^–8 см), об­ра­зуя с их яд­ра­ми ме­зо­мо­ле­ку­лы. В ча­ст­но­сти, при тор­мо­же­нии от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ных мюо­нов в сме­си изо­то­пов во­до­ро­да – дей­те­рия и три­тия ге­не­ри­ру­ют­ся ме­зо­мо­ле­ку­лы $(dμ^–t)^+$, в ко­то­рых про­ис­хо­дит мю­он­ный ка­та­лиз ре­ак­ции взаи­мо­дей­ст­вия ядер дей­те­рия и три­тия с об­ра­зо­ва­ни­ем ио­на ге­лия и ней­тро­на по схе­ме: $(dμ^–t)^+→\ce{^4He+}+n+μ^–$, при­чём один ме­зон за вре­мя жиз­ни мо­жет осу­ще­ст­вить бо­лее 100 цик­лов $μ$-ка­та­ли­за.

По­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ный мю­он $μ^+$, объ­е­ди­ня­ясь с элек­тро­ном, об­ра­зу­ет атом мюо­ния $μ^+e^–$, ко­то­рый, с од­ной сто­ро­ны, по­до­бен ато­му во­до­ро­да $pe^–$, а с дру­гой – по­зи­тро­нию $e^+e^–$. За дви­же­ни­ем по­зи­тро­ния мож­но про­сле­дить, на­блю­дая час­то­ту пре­цес­сии $ω_m$ его спи­на в маг­нит­ном по­ле. При всту­п­ле­нии мюо­ния в ре­ак­цию связь спи­нов раз­ры­ва­ет­ся и вме­сто час­то­ты $ω_m$ на­блю­да­ет­ся час­то­та пре­цес­сии $ω_μ^+$ сво­бод­но­го $μ^+$. Этот про­цесс по­зво­ля­ет мо­де­ли­ро­вать хи­мич. ре­ак­ции с уча­сти­ем ато­мар­но­го во­до­ро­да и из­ме­рять их аб­со­лют­ные ско­ро­сти.

Спе­ци­фич. эф­фек­ты на­блю­да­ют­ся так­же при за­хва­те $π^–$-ме­зо­нов яд­ра­ми ато­мов во­до­ро­да в сме­сях и в хи­мич. со­еди­не­ни­ях во­до­ро­да с др. ато­ма­ми. Напр., ве­ро­ят­ность за­хва­та $π^–$-ме­зо­на яд­ра­ми во­до­ро­да в со­ста­ве мо­ле­ку­лы ам­миа­ка $\ce{NH3}$ в 10 раз мень­ше, чем в эк­ви­ва­лент­ной сме­си $\ce{N2 + 3H2}$.