ГЛАВА 6. ПИОННЫЕ АТОМЫ

Пионный атом — это пример водородоподобной системы с электроном, замененным на отрицательно заряженный пион [1]. Интерес к таким системам обусловлен высокой точностью и избирательностью, которые типичны для атомной спектроскопии. В то время как электрон описывается уравнением Дирака, пион — простейший пример частицы с электромагнитным взаимодействием, которая подчиняется уравнению Клейна—Гордона. Фактически высоколежащие орбиты пионных атомов позволяют провести количественную проверку того, что уравнение Клейна—Гордона правильно описывает электромагнитные взаимодействия бозонов. Поэтому мы сначала изучим свойства и порядок величин, типичных для пиона, связанного в кулоновском поле точечного заряда, подчеркивая характерные отличия от дираковской частицы.

Однако основной интерес связан с сильным пион-ядерным взаимодействием [2], которое искажает спектр пионных атомов на низколежащих орбитах. Характерные отклонения от чисто электромагнитного спектра можно измерить точно; они являются уникальным источником информации о пион-ядерной системе в состояниях с определенными квантовыми числами в области энергий около порога

6.1. Образование и качественные особенности

Отрицательные пионы останавливаются в среде за счет чисто электромагнитных взаимодействий с протонами и ядрами. Пионы сначала захватываются на высоковозбужденные молекулярные орбиты, заменяя электроны, которые выбрасываются. Постепенно пионы девозбуждаются на более глубокосвязанные орбиты за счет испускания электронов и эмиссии рентгеновского излучения; в итоге они садятся на отдельные ядра. Когда размер орбит становится меньше, чем размер самой глубокой электронной орбиты вокруг ядра, пион начинает находиться в неэкранированном кулоновском поле ядра. В этом случае физика совпадает с физикой атома Бора в той степени, в какой можно пренебречь ядерными эффектами. Пионный боровский атом в состоянии с главным

квантовым числом имеет следующие характерные значения энергии, длины и импульса:

где — постоянная тонкой структуры. Соответствие этой системы системе боровского атома с электроном — полное, за исключением шкалы масс и нулевого спина пиона. В качестве примера на рис. 6.1 мы показали наблюденные пионные серии Бальмера и Пашена для . Все эффекты, характерные для водородного атома, имеют аналоги и в этой системе.

Чтобы водородоподобное описание было справедливым, важно иметь неэкранированный заряд. Тогда волновая функция пиона должна быть локализована внутри радиуса К-орбиты электрона Это означает, что главное квантовое число должно удовлетворять соотношению

Для пионный атом девозбуждается прямо через рентгеновский каскад, который с очень хорошей степенью точности имеет

Рис. 6.1. Экспериментальный спектр пиоиных рентгеновских лучей в алюминии, показывающий серии Бальмера и Пашена водородоподобных переходов (из работы Batty et al., 1979)

Рис. 6.2. Схематическая картина рентгеновского каскада пиона в Основные переходы происходят между круговыми орбитами. Ядерное поглощение в и -состояниях ослабляет интенсивности переходов из этих состояний. Ширина ls-состояния кэВ и его сдвиг за счет сильного взаимодействия прямо наблюдаемы в экспериментальных данных

электрический дипольный -тип. Пример такого каскада показан на рис. 6.2. Основная цепь таких переходов происходит между круговыми орбитами с так что и уменьшаются на единицу. Эффекты сильного взаимодействия, происходящие на малых расстояниях, становятся важными для орбит с малым для которых центробежный барьер слаб. Они наблюдались, с одной стороны, по сильному ослаблению переходов из-за ядерного поглощения и, с другой стороны, по энергетическим сдвигам и естественным ширинам рентгеновских линий.