Atome exotique - Exotic atom

Un atome exotique est un atome par ailleurs normal dans lequel une ou plusieurs particules subatomiques ont été remplacées par d'autres particules de même charge . Par exemple, les électrons peuvent être remplacés par d'autres particules chargées négativement telles que des muons (atomes muoniques) ou des pions (atomes pioniques). Parce que ces particules de substitution sont généralement instables, les atomes exotiques ont généralement des durées de vie très courtes et aucun atome exotique observé jusqu'à présent ne peut persister dans des conditions normales.

Atomes muoniques

Dans un atome muonique (auparavant appelé atome mu-mésique , maintenant connu pour être un terme impropre car les muons ne sont pas des mésons ), un électron est remplacé par un muon, qui, comme l'électron, est un lepton . Comme les leptons ne sont sensibles qu'aux forces faibles , électromagnétiques et gravitationnelles , les atomes muoniques sont régis avec une très grande précision par l'interaction électromagnétique.

Comme un muon est plus massif qu'un électron, les orbites de Bohr sont plus proches du noyau dans un atome muonique que dans un atome ordinaire, et les corrections dues à l'électrodynamique quantique sont plus importantes. L'étude des niveaux d'énergie des atomes muoniques ainsi que les taux de transition des états excités à l' état fondamental fournissent donc des tests expérimentaux d'électrodynamique quantique.

La fusion catalysée par muons est une application technique des atomes muoniques.

Hydrogène-4.1 (hélium muonique)

Photo de l'hydrogène 4.1
Hydrogène 4.1, composé de 2 protons, 2 neutrons, 1 muon et 1 électron

Le symbole 4.1 H (Hydrogène-4.1) a été utilisé pour décrire l'atome exotique d'hélium muonique ( 4 He-μ), qui est comme l' hélium-4 en ayant 2 protons et 2 neutrons . Cependant l'un de ses électrons est remplacé par un muon , qui a également une charge -1. Puisque l'orbitale du muon est très proche du noyau atomique , ce muon peut être considéré comme faisant partie du noyau. L'atome a alors un noyau avec 2 protons, 2 neutrons et 1 muon, avec une charge nucléaire totale +1 (à partir de 2 protons et 1 muon) et un seul électron à l'extérieur, de sorte qu'il s'agit effectivement d'un isotope de l'hydrogène au lieu d'un isotope de hélium. Le poids d'un muon est d'environ 0,1 amu, donc la masse isotopique est de 4,1. Comme il n'y a qu'un seul électron à l'extérieur du noyau, l'atome d'hydrogène 4.1 peut réagir avec d'autres atomes. Son comportement chimique est celui d'un atome d'hydrogène et non d'un atome d'hélium noble. La seule partie radioactive de l'atome est le muon. Par conséquent, l'atome se désintègre avec la demi-vie du muon, 1,52 microseconde (1,52 × 10 -6 secondes).

Atomes hadroniques

Un atome hadronique est un atome dans lequel un ou plusieurs électrons orbitaux sont remplacés par un hadron chargé négativement . Les hadrons possibles incluent des mésons tels que le pion ou le kaon , produisant un atome pionique ou un atome kaonique (voir Hydrogène kaonique ), collectivement appelés atomes mésoniques ; antiprotons , produisant un atome antiprotonique ; et le
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particule, donnant un
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ou atome sigmaonique .

Contrairement aux leptons, les hadrons peuvent interagir via la force forte , de sorte que les orbitales des atomes hadroniques sont influencées par les forces nucléaires entre le noyau et le hadron. Étant donné que la force forte est une interaction à courte portée, ces effets sont les plus forts si l'orbitale atomique impliquée est proche du noyau, lorsque les niveaux d'énergie impliqués peuvent s'élargir ou disparaître en raison de l'absorption du hadron par le noyau. Les atomes hadroniques, tels que l'hydrogène pionique et l'hydrogène kaonique , fournissent ainsi des sondes expérimentales de la théorie des interactions fortes, la chromodynamique quantique .

Onium

Un onium (pluriel : onia ) est l'état lié d'une particule et de son antiparticule. L'onium classique est le positronium , qui se compose d'un électron et d'un positron liés ensemble comme un état métastable , avec une durée de vie relativement longue de 142 ns à l'état triplet. Le positronium a été étudié depuis les années 1950 pour comprendre les états liés dans la théorie quantique des champs. Un développement récent appelé électrodynamique quantique non relativiste (NRQED) a utilisé ce système comme terrain d'essai.

Le pionium , un état lié de deux pions de charges opposées , est utile pour explorer l' interaction forte . Cela devrait également être vrai pour le protonium , qui est un état lié proton-antiproton. La compréhension des états liés du pionium et du protonium est importante afin de clarifier les notions liées aux hadrons exotiques tels que les molécules mésoniques et les états du pentaquark . Le kaonium , qui est un état lié de deux kaons de charges opposées, n'a pas encore été observé expérimentalement.

Les vrais analogues du positronium dans la théorie des interactions fortes, cependant, ne sont pas des atomes exotiques mais certains mésons , les états du quarkonium , qui sont constitués d'un quark lourd tel que le quark charm ou bottom et son antiquark. ( Les quarks top sont si lourds qu'ils se désintègrent par la force faible avant de pouvoir former des états liés.) L'exploration de ces états par la chromodynamique quantique non relativiste (NRQCD) et la QCD sur réseau sont des tests de plus en plus importants de la chromodynamique quantique .

Le muonium , malgré son nom, n'est pas un onium contenant un muon et un antimuon, car l'IUPAC a attribué ce nom au système d'un antimuon lié à un électron. Cependant, la production d'un état lié muon-antimuon, qui est un onium (appelé vrai muonium ), a été théorisée.

Atomes hypernucléaires

Les atomes peuvent être composés d'électrons en orbite autour d'un hypernoyau qui comprend des particules étranges appelées hypérons . De tels atomes hypernucléaires sont généralement étudiés pour leur comportement nucléaire, tombant dans le domaine de la physique nucléaire plutôt que de la physique atomique .

Atomes de quasi-particules

Dans les systèmes de matière condensée , en particulier dans certains semi - conducteurs , il existe des états appelés excitons qui sont des états liés d'un électron et d'un trou d'électron .

Molécules exotiques

Une molécule exotique contient un ou plusieurs atomes exotiques.

"Molécule exotique" peut également faire référence à une molécule ayant une autre propriété rare telle qu'un hexaméthylbenzène#Dication pyramidal et un atome de Rydberg .

Voir également

Les références