Exotisches Atom

Als exotische Atome werden atomähnliche gebundene Teilchen bezeichnet, bei denen wenigstens eines der beteiligten Teilchen kein gewöhnlicher Atom-Bestandteil ist, also kein Proton, Neutron oder Elektron.

Typen

Die wichtigsten exotischen Atome sind:

• Ersatz eines Hüllen-Elektrons $ e\!\, $ durch ein negativ geladenes Teilchen:
  • Myonische Atome mit einem Myon $ \mu ^{-}\!\, $. Das Myon befindet sich wegen seiner hohen Masse sehr nahe am Atomkern. Spektroskopie von myonischen Atomen ermöglicht daher Untersuchungen der Kernstruktur.
  • Pionische und kaonische Atome mit einem Pion $ \Pi ^{-}\!\, $ oder Kaon $ K^{-}\!\, $ (beides Mesonen). Simpelstes Beispiel ist mesonischer Wasserstoff aus einem Proton und einem Pion oder Kaon. Pion und Kaon befinden sich aufgrund ihrer noch größeren Masse noch näher am Atomkern als das Myon der myonischen Atome. Anders als Elektronen wechselwirken Pionen und Kaonen, da sie Mesonen sind, nicht nur über die elektromagnetische, sondern auch über die anziehende oder abstoßende starke Wechselwirkung mit den Nukleonen des Atomkerns. So lassen sich an pionischen und kaonischen Atomen Parameter dieser Wechselwirkung messen.
  • Protonium aus einem Proton und einem Antiproton $ p^{-}\!\, $. Protonium weist einen extrem kleinem Radius auf und wurde bereits experimentell nachgewiesen. Auch andere leichte Atome (Helium, Lithium) mit einem Antiproton anstelle eines Elektrons („antiprotonisch“) sind prinzipiell möglich.
• Ersatz eines Protons $ p\!\, $ im Atomkern durch ein positiv geladenes Teilchen:
  • Positronium und Myonium mit einem Positron $ e^{+}\!\, $ bzw. einem Antimyon $ \mu ^{+}\!\, $. Positronium und Myonium bestehen ausschließlich aus Leptonen. Weil diese nach heutigem Kenntnisstand strukturlos, also gewissermaßen „punktförmig“ sind, eignen sich Positronium und Myonium besonders zur hochgenauen Untersuchung der elektromagnetischen Wechselwirkung und zur Messung fundamentaler Naturkonstanten.
• Ersatz von Teilchen sowohl in der Hülle als auch im Kern:
  • Antimaterie, in der jeder Atom-Bestandteil durch sein entgegengesetzt geladenes Antiteilchen ersetzt ist, z.B. Antiwasserstoff, bestehend aus Antiprotonen im Kern und Positronen in der Hülle.
  • Myonische, pionische, kaonische und protonische Antimaterie, in der ein Hüllen-Positron durch ein positiv geladenes Anti-Myon $ \mu ^{+}\!\, $, -Pion $ \pi ^{+}\!\, $, -Kaon $ K^{+}\!\, $ oder durch ein Proton ersetzt ist.
  • Atome aus zwei Mesonen, insbesondere aus zwei Pionen oder einem Pion und einem Kaon

Eigenschaften

Bis auf die Antiatome wie beispielsweise das Antiwasserstoff-Atom sind alle genannten exotischen Atome instabil und kurzlebig. Auch Antiatome sind nur stabil, solange sie nicht in Kontakt mit gewöhnlicher Materie kommen, da sie sonst zerstrahlen (Annihilation).

Vorkommen

In der Natur kommen Positronium, Myonium und myonische Atome als Folgeprodukte der Höhenstrahlung in sehr geringen Mengen vor, ebenso wie pionische oder kaonische Atome, die jedoch noch viel kürzer leben. Auf der Erde können die exotischen Atome, auch Antiwasserstoff-Atome, mittels Teilchenbeschleunigern genügend hoher Strahlenergie erzeugt werden.

Erforschung

Die Untersuchung von Antiwasserstoff-Atomen im europäischen Forschungszentrum CERN soll einen präzisen Test der Symmetrie von Materie und Antimaterie vorbereiten. Geplant sind solche Experimente mit höherer Genauigkeit beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Quellen

Rudolf Gross: Physik IV, Vorlesungsskript SS 2003. März 2003, abgerufen am 13. Dezember 2009 (PDF 1,52 MB).

Weblinks

• Exotische Atome: Rosen aus dem Blumengarten der subatomaren Physik (PDF; 3,04 MB)
• Exotische Atome (LEIFI)