Ученые охарактеризовали легкий и тяжелый аналоги водорода

Группа канадских и американских учёных получила сверхтяжёлые и сверхлёгкие «изотопы» водорода и выяснила, как изменяется скорость простейшей реакции замещения при использовании таких атомов.

Природные изотопы, дейтерий и тритий, по массе превосходят обычный водород в два и три раза. В химическом плане они практически идентичны, но расчёты в рамках квантовой механики показывают, что скорость протекания химических реакций с их участием должна незначительно меняться.

Для того чтобы проверить вычисления экспериментально, необходимо создать новые изотопы, сильнее отличающиеся друг от друга. Авторы решили поставленную задачу с помощью мюонов, получаемых на ванкуверском ускорителе TRIUMF. Эти частицы в целом напоминают электроны, массу которых увеличили примерно в 200 раз. Ещё одно отличие заключается в том, что среднее время жизни мюона составляет 2,2 мкс; при работе с «псевдоводородом» физикам приходилось действовать быстро.

Сверхлёгкий вариант (так называемый мюоний) был получен замещением протона в атоме водорода на положительно заряженный мюон, масса которого составляет лишь 11% от массы протона. Утяжелённую версию водорода исследователи создали на основе гелия, подставив вместо одного из двух его электронов отрицательно заряженный мюон. Тяжёлый мюон располагается ближе к ядру гелия, образованному двумя протонами и двумя нейтронами, и экранирует заряд одного из протонов, в результате чего атом приобретает сходство с водородом, в «ядре» которого находятся четыре исходные частицы и мюон. Масса такого варианта водорода равняется 4,1 а. е. м.

В опытах наблюдалась реакция замещения вида H + H2 → H2+ H. Измеренные константы скорости реакции оказались близки к значениям, предсказанным теоретически.

Нельзя сказать, что такой результат легко прогнозировался. При вычислениях теоретики пытаются максимально упростить задачу и пользуются приближением Борна — Оппенгеймера, согласно которому электроны мгновенно успевают подстроиться под любое изменение координат ядер. В случае электронов и протонов, которые находятся в разных весовых категориях, упрощение адекватно описывает ситуацию, но переход к более тяжёлым мюонам мог резко снизить точность расчётов; к счастью, этого не случилось.

В ближайшем будущем авторы займутся исследованием более сложной реакции H + CH4.