Мю мезон, мюоній та мезонний альянс
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Природі не чужа любов до екзотики. Нерідко в цьому доводиться переконуватися і фізикам, які вивчають мікросвіт. Вченими було виявлено невідоме раніше явище існування атомарного мюонія в конденсованих середовищах. За скупою формулою відкриття ховаються дивовижні, а в деякому сенсі навіть драматичні події в мікросвіті. Герой «драми» — мю-мезон, елементарна частка, відкрита в числі перших, але яка досі залишається таємничою.
Не ясна роль мю-мезона в мікросвіті, відведена йому природою, як правило, раціональною, що не створює нічого зайвого. Але тому, що не ясна вченим його роль, мю-мезон не перестане існувати. А через уважне вивчення поведінки мезона розкривається дивовижна реальність. Живе мю-мезон мізерно мало за звичними нам мірками – всього лише мільйонні частки секунди. Але яке це яскраве і насичене життя!
За короткі миті свого життя мю-мезон, потрапивши в речовину, встигає утворити… власний атом! Позитивно заряджений мю-мезон відриває від найближчого атома слабо пов’язаний зовнішній електрон і змушує його обертатися навколо себе. Мюоній — новонароджений атом — цілком гідний називатися атомом. Від водню, наприклад, він відрізняється лише тим, що важить в 9 разів менше — саме в стільки разів мю-мезон легше ядра водню — протона. Так ще живе мюоній, як і сам мезон, мізерно мало.
Але, як і належить атомам, принаймні більшості з них, мюоній може утворювати хімічні сполуки. Ледве народившись, він негайно вступає в хімічний зв’язок з атомами речовини, в якій він виник. Мовою хіміків мюоній – вельми активний реагент. Двохатомна молекула в складі мюонія і одного з атомів речовини живе до тих пір, поки живий мезон, а з ним і атом мюонія.
Завдяки особливим властивостям мю-мезона вчені мають можливість простежити всю його долю. Мю-мезон як би подає сигнали, повідомляє про те, що з ним відбувається, — потрапив в речовину, створив власний атом, вступив в хімічну реакцію і, нарешті, загинув в мережах хімічних зв’язків. Але, навіть гинучи, він залишається альтруїстом. Неоціненну користь приносить мюоній науці, особливо хімії.
Вчені виявили, що мюоній – двійник водню, його точна копія в хімічному житті. Мюоній досконало повторює хімічну поведінку водню, вступає в ті ж хімічні реакції і абсолютно з тією ж швидкістю. А швидкість хімічної реакції — надзвичайно важлива для хіміків величина. Завжди важливо знати, з якою швидкістю атоми вишикуються в складний молекулярний ланцюжок, в який саме ланцюжок вони шикуються швидше, охочіше, в якому напрямку піде реакція. Особливо важливо це для водню, адже водень – головний персонаж в органічній хімії.
Але як скоро мюоній — хімічний двійник водню, так нехай він і замінить водень в дослідах хіміків. Подібно «міченому» радіоактивному атому, мюоній розповість вченим про всі мінливості хімічного життя, які належать водню. Так і зробили. Тепер з допомогою мюонія хіміки отримують точні кількісні характеристики сотень процесів синтезу органічних речовин.
Не тільки в хімії зараз використовуються властивості мюонія. Мюонієвий метод взятий на озброєння у фізиці твердого тіла, для вивчення властивостей напівпровідників, магнітних властивостей речовини. За допомогою мюонія досліджуються ядерні взаємодії, вирішуються й інші фундаментальні проблеми фізики та хімії.
Так екзотичні плоди, що виростають на ниві мікросвіту, вдається перетворити в «хліб насущний» науково-технічного прогресу.
Автор: Ю. Слюсарев.