Strona głównaPytania → Zakaz Pauliego a atomy egzotyczne

Zakaz Pauliego a atomy egzotyczne

Pytanie

Pyta Adam B.

Ostatnio, czytając jakiś artykuł, spotkałem się z określeniem, że zakaz Pauliego dotyczy cząstek o spinie połówkowym tego samego typu. Co znaczy tego samego typu? Tzn. tylko elektronów wobec elektronów, lub np. mionów wobec mionów? Wiadomo też, że fizycy doświadczalni wytwarzają tzw. atomy egzotyczne, przebadali np. wodór mionowy. Jednak nie spotkałem się z żadną publikacją na temat badań pierwiastków o większej liczbie atomowej niż 1; pierwiastków, które miałyby podmieniony tylko np. jeden elektron przez mion elektronowy. Czy taki atom mionowo-elektronowy miałby powłoki niezależne dla mionów i elektronów, czy też może jakieś wspólne zmodyfikowane powłoki elektrono-mionowe?

Odpowiedź

Odpowiada Prof. Krzysztof Pachucki

W fizyce kwantowej nie mówimy, że cząstki są tego samego typu, ale że są one identyczne, innymi słowy nierozróżnialne. Jeśli mają spin 1/2 to ma miejsce zakaz Pauliego, to znaczy dwie identyczne cząstki nie mogą się znaleźć w tym samym stanie kwantowym. Zakaz ten nie odnosi się do różnych cząstek, np. elektronu i pozytonu, lub elektronu i mionu. Mogą one jednocześnie znaleźć się w tym samym miejscu z tym samym kierunkiem spinu.

Jest wiele eksperymentów z tworzeniem atomów egzotycznych. Poza wodorem mionowym, najbardziej znane są eksperymenty z CERN-u przez kolaborację ASACUSA z helem antyprotonowym, gdzie jeden z elektronów jest zastąpiony antyprotonem. Obecnie prowadzi się eksperymenty z helem mionowym, a wcześniej wielokrotnie były przeprowadzone eksperymenty z cięższymi atomami, takimi jak krzem, gdzie elektron został zastąpiony mionem.

Co do budowy atomów mionowo-elektronowych, to opis przez powłoki jest dobrym przybliżeniem, tak samo jak dla atomów elektronowych. Mion jest około 200 razy cięższy od elektronu i dlatego też znajduje się około 200 razy bliżej jądra. Z tego też powodu jego powłoka prawie nie zależy od daleko położonych elektronów. Elektrony zaś, w dobrym przybliżeniu widzą zmodyfikowane jądro, to znaczy jądro o ładunku pomniejszonym o jeden, ponieważ mion ma taki sam ładunek elektryczny jak elektron. W ścisłym podejściu zaś, rozwiązuje się równanie Schrodingera dla elektronów i mionu, bez nakładania warunku antysymetrii funkcji falowej na zamianę położenia i spinu pomiędzy elektronem i mionem.