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:

E_n = -Z₂ = E₀Z₂,

Боровская модель водородоподобного атома

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, m_l, m_S 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). Материал с сайта http://worldof.school

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.

Схематическое изображение водородоподобных ионов гелия и лития и атомов водорода гелия и лития

На этой странице материал по темам:

• Водород.и.водородоподобные

• Физика атомная лекция

• Сцифоидные медузы сообщение

• Что такое ион

• Квантово-механическая теория водородоподобных ионов.