МЕЗОННАЯ ХИМИЯ

МЕЗОННАЯ ХИМИЯ

       

метод изучения структуры в-ва (возник в 60-х гг. 20 в.), к-рый использует известные св-ва мюонов (m±), p- и К-мезонов для получения данных об электронной оболочке молекул, кристаллич. и магн. структуре в-в, скоростях хим. реакций и т. д. В М. х. можно выделить четыре осн. направления исследований: p-- и m--M. х., изучение поведения m+ в в-ве и реакций мюония (связанной системы m+ е-).

В основе p--М. х. лежит использование яд. реакции перезарядки p-на ядрах водорода: p-+р®n+p°. Вероятность w этой реакции очень сильно зависит от заряда Z (в ед. заряда протона е) ядра атома Z, с к-рым связан водород в соединении ZmHn, и равна: w(ZmHn)»a(n/m)Z-3. Кроме того, коэфф. а в этой ф-ле даже при одном и том же Z зависит от типа хим. связи между атомами Н, в частности от степени ионности (полярности) связи. Т. о., p--мезонный метод позволяет надёжно отличить химически связанный водород от свободного. Напр., для аммиака NH3 и эквивалентной ему механич. смеси N2+3Н2 измеренное отношение

w(NH3)/1/2w(N2+3H2)»1/10.

В основе m--М. х. лежит измерение энергий и интенсивностей отд. линий рентгеновских серий в мюонных атомах (см. МЕЗОАТОМ) разл. хим. элементов. При захвате m- ядром на возбуждённые уровни и последующих переходах в осн. состояние испускаются характерные для каждого элемента g-кванты. Энергия излучаемых мезорентгеновских серий явл. хар-кой хим. элемента, ядро к-рого вместе с мюоном образует мезоатом. Такой спектральный анализ элементного состава в-в по существу ничем не отличается от обычного спектрального анализа. Однако в отличие от рентгеновских серий обычных атомов, относит. интенсивность отд. линий рентгеновских серий мезоатома зависит от вида хим. соединения, в к-рое входит исследуемый элемент. Это св-во рентгеновского излучения m--атомов положено в основу идеи нового метода анализа в-ва в закрытых контейнерах, к-рый в принципе позволяет определить не только элементный состав образца, но также и вид хим. соединения, составленного из этих элементов.

При изучении св-в в-ва с помощью m+ и мюония (Mu) используется наличие спина у мюона и эл-на, а также факт несохранения четности при распаде m+®e++ve+v=m. Направление вылета е+ в этой реакции коррелированно с направлением спина m+ . Поэтому в магн. поле вследствие прецессии спина мюона с частотой wm= еН/mmс (где H — напряжённость магн. поля, mm, е — масса и электрич. заряд мюона) будет периодически меняться также интенсивность позитронов, вылетающих в нек-ром фиксиров. направлении (рис.);

Схема наблюдения спина мюона (m+ ). Магн. поле перпендикулярно плоскости рисунка; толстая стрелка — направление спина m+ .

это даёт возможность следить за направлением спина m+. Т. о., m+ , а также мюоний представляют собой по существу меченые атомы (см. ИЗОТОПНЫЕ ИНДИКАТОРЫ), за движением к-рых можно проследить от момента их рождения до момента распада. В частности, локальные магн. поля в кристалле взаимодействуют со спином m+ и изменяют картину прецессии его спина, что позволяет делать заключения о величине и распределении внутр. магн. полей в кристалле, изучать диффузию мюонов в кристаллах, обнаруживать фазовые переходы с изменением магн. структуры и т. д. Мюоний явл. аналогом атома водорода, поэтому, исследуя реакции мюония, можно сделать заключения о реакциях атомарного водорода. Т. к. спин мюония (в ортосостоянии) равен 1, а приведённая масса прибл. равна массе эл-на, частота его прецессии составляет wMu» еН/2mес. При вступлении мюония в хим. реакцию связь между m+ и е- разрывается и характер прецессии резко меняется, что позволяет определить абс. скорость хим. реакций мюония, а следовательно, и реакций атомарного водорода. С помощью мюония удалось моделировать состояние водородного атома в полупроводниках, растворах и т. д.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

МЕЗОННАЯ ХИМИЯ

- метод изучения структуры вещества, к-рый использует свойства мюонов, и -мезонов для получения данных об электронной оболочке молекул, кристаллич. и магн. структуре веществ, скоростях хим. реакций и т. д. Возник в 1960-х гг. В M. х. можно выделить четыре осн. направления исследований: и -мезонная химия, изучение поведения в веществе и реакций мюония (связанной системы

В основе -мезонной химии лежит использование ядерной реакции перезарядки на ядрах водорода: Вероятность W этой реакции очень сильно зависит от заряда Z (в единицах заряда протона е) ядра атома Z, с к-рым связан водород в соединении , и равна. Кроме того, коэф. a в этой ф-ле даже при одном и том же Z зависит от типа хим. связи между атомами H, в частности от степени ионности (полярности) связи. T. о., -мезонный метод позволяет надёжно отличить химически связанный водород от свободного. Напр., для аммиака и эквивалентной ему механич. смеси измеренное отношение

Коэф. а зависит также от физ. состояния облучаемого -мезонами вещества. Напр., при нагревании воды от комнатной темп-ры до темп-ры коэф. a увеличивается примерно вдвое.

В основе -мезонной химии лежит измерение энергий и интенсивностей отд. линий рентг. серий мюонных атомов разл. хим. элементов. При захвате m^- на возбуждённые уровни и последующих переходах в осн. состояние -атома испускаются характерные для каждого элемента Энергия излучаемых мезорент-геновскпх серий является характеристикой хим. элемента, ядро к-рого вместе с мюоном образует мезоатом. Такой спектральный анализ элементного состава веществ по существу ничем не отличается от обычного спектрального анализа. Однако, в отличие от рентг. серий обычных атомов, относит, интенсивность отд. линий рентг. серий мезоатома зависит от вида хим. соединения, в к-рое входит исследуемый элемент. Это свойство рентг. излучения -атомов положено в основу идеи нового метода анализа вещества в закрытых контейнерах, к-рый в принципе позволяет определить не только элементный состав образца, но также и вид хим. соединения, составленного из этих элементов. Используя мюоны малых энергий, можно изучать также свойства и хим. состав поверхностей.

При изучении свойств вещества с помощью и мюония (Mu) используются наличие спина у мгоона и электрона, а также факт несохранения чётности при распаде Направление вылета в этой реакцдш коррелировано с направлением спина . Поэтому в магн. поле вследствие прецессии спина мюона с частотой (где Н - напряжённость магн. поля,- масса и электрич. заряд мюона) периодически меняется также интенсивность позитронов, вылетающих в нек-ром фиксиров. направлении (рис.); это даёт возможность следить за направлением спина . T. о.,, а также мюоний представляют собой, по существу, меченые атомы (см. Изотопные индикаторы), за движением к-рых можно проследить от момента их рождения до момента распада. В частности, локальные магн. поля в кристалле взаимодействуют со спином и изменяют картину прецессии его спина, что позволяет делать заключения о величине и распределении внутр. магн. полей в кристалле, изучать диффузию мюонов в кристаллах, обнаруживать фазовые переходы с изменением магн. структуры и т. д. Метод изучения свойств вещества с помощью наз. (muon spin rotation), получившим широкое распространение (см. Мюонной спиновой релаксации метод).

Схема наблюдения спина мюона . Магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка; толстая стрелка - направление спина

Мюоний является аналогом атома водорода, поэтому, исследуя реакции мюония, можно сделать заключения о реакциях атомарного водорода. T. к. спин мюония (в ортосостоянии) равен 1, а приведённая масса прибл. равна массе электрона, частота его прецессии составляет . При вступлении мюония в хим. реакцию связь между и разрывается и характер прецессии резко меняется, что позволяет определить абс. скорость хим. реакций мюония, а следовательно, и реакций атомарного водорода. С помощью мюопия удалось моделировать состояние водородного атома в полупроводниках, растворах и т. д.

Развитие получает также мюонная химия сложных атомов. Напр., при захвате на орбиту мезоатомов неона и аргона образуются мезоатомы соответственно с электронными оболочками атомов фтора и хлора. Взаимодействие спинов мюона и нераспаренпого электрона атомных оболочек этих галогенов приводит к тому, что в магн. поле их суммарный магн. момент прецессирует с частотой мюония. Наблюдение этой прецессии позволяет измерять абс. скорости реакций атомов фтора, хлора и т. д.

Лит.: Герштейн С. С. и др., Мезоатомные процессы и модель больших мсзомолекул, "УФН", 19G9, т. 97, с. 3; Гольданский В. И., Fирсов В. Г., Химия новых атомов, "Успехи химии", 1971, т. 40, в. 8, с. 1353; Muon physics, v. 3, ed. by V. W. Hughes and C. S. Wu, N. Y., 1975; Exotic atoms, 79, N. Y., 1980; Кириллов-Угрюмов В. Г., Никитин Ю. П., Сергеев Ф. M., Атомы н мезоны, M., 1980.

Л. И. Пономарёв.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.