exotische Atome

exotische Atome,

 

Atome, bei denen entweder in der Atomhülle ein Elektron oder im Atomkern ein Proton durch eine anderes Elementarteilchen gleicher Ladung ersetzt ist; im weiteren Sinn auch jeder atomähnliche, aber nur kurzlebige gebundene Zustand zweier entgegengesetzt geladener Elementarteilchen, z. B. eines Elektrons e^- mit einem Positron e⁺ (Positronium) oder einem positiven Myon μ⁺ (Myonium), eines Pions mit einem Myon (Pionium) oder auch eines Protons mit einem Antiproton (Protonium). - Die Untersuchung derartiger exotischer Atome gibt Auskunft über die eingefangenen und gebundenen Teilchen hinsichtlich ihrer Eigenschaften und ihrer Wechselwirkung mit den Atomkernen, der Atomhülle oder miteinander, v. a. aber über Eigenschaften der Atomkerne.

 

Bei myonischen Atomen (Myonatomen) kommt es zwischen dem in die Atomhülle eingefangenen negativen Myon μ^- und dem Atomkern zu elektromagnetischen Wechselwirkungen. Das Myon hält sich wegen seiner größeren Masse (m_μ = 206 m_e) im zeitlichen Mittel sehr viel näher am Atomkern auf als ein Elektron (Masse m_e). Bereits für mittelschwere Atomkerne wird der Radius der ersten bohrschen »Quantenbahn« (Atommodell) des Myons vergleichbar mit der Ausdehnung des Atomkerns, die damit die Bindungsenergie des Myons beeinflusst. Die Untersuchung der Energie myonischer Röntgenstrahlung liefert deshalb genaue Auskunft über den Radius und die Form der Ladungsverteilung von Atomkernen. Weiterhin wurden Feinheiten der elektromagnetischen Wechselwirkung wie die Vakuumpolarisation nachgewiesen, die durch die Quantenelektrodynamik beschrieben werden.

 

Hadronische Atome (Hadronatome) mit einem in die Atomhülle eingefangenen Hadron - erzeugt wurden bisher solche mit einem Pion π^- (m_π = 273 m_e), Kaon K^- (m_K = 966 m_e), Antiproton p̄ (m_p̄ = 1 836 m_e) und Sigmateilchen Σ^- (m_Σ— = 2 343 m_e) - zeigen neben der langreichweitigen elektromagnetischen Wechselwirkung die kurzreichweitige starke Wechselwirkung mit den Protonen und Neutronen des Atomkerns. Durch sie wird ein hadronisches Teilchen aus einer der inneren Bahnen der Atomhülle in den Atomkern eingefangen und dann umgewandelt. Aus der Messung der Energie und der Linienbreite der charakteristischen hadronischen Röntgenstrahlung konnte man deshalb auf die Stärke der Wechselwirkung und auf die Massenverteilung des Atomkerns schließen. Die Untersuchung der Feinstruktur der Röntgenstrahlung erlaubte eine Bestimmung des magnetischen Moments des Antiprotons und des Sigmateilchens.

 

Als Hyperatome werden jene exotischen Atome bezeichnet, deren Atomkerne außer den Nukleonen (Protonen und Neutronen) ein Hyperon enthalten, z. B. ein neutrales Lambdahyperon. Ihre Lebensdauer liegt im Bereich von 10^-10 s entsprechend der von Hyperonen.

 

Eine weitere Art von exotischen Atomen sind diejenigen aus zwei »ineinander verschachtelten« wasserstoffähnlichen Atomen: Dabei wird das »innere« Atom von einem Heliumkern (bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen), der von einem negativen Myon umlaufen wird, gebildet und als Ganzes von einem Elektron umlaufen. Das »innere« Atom ist so klein (nur ¹/₄₀₀ so groß wie ein normales Wasserstoffatom), dass es für das Elektron wie ein normaler Atomkern mit einer positiven Elementarladung wirkt, da die Ladung des einen Protons vom Myon kompensiert wird.