Myonischer Wasserstoff

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Myonischer Wasserstoff ist ein exotisches Atom, in dem ein Myon an ein Proton gebunden ist. Da das Myon etwa 200-mal schwerer ist als das Elektron, welches in normalem Wasserstoff an ein Proton gebunden ist, hat das Energiespektrum deutliche Abweichungen gegenüber dem Wasserstoffspektrum. Wegen der mittleren Lebensdauer des Myons von etwa 2,2 · 10−6 s ist auch die Lebensdauer myonischen Wasserstoffs auf die Größenordnung von einer millionstel Sekunde begrenzt.

Physikalische Eigenschaften

Durch die hohe Masse des Myons ist der Abstand zwischen diesem und dem Proton wesentlich geringer als bei normalem Wasserstoff:

  • der Bohr-Radius des normalen Wasserstoffs beträgt $ a_0 = \frac{\lambda_{\mathrm{e}}}{2 \pi \alpha} \approx 21,8 \lambda_{\mathrm{e}} $,
    mit der Compton-Wellenlänge $ \lambda_{\mathrm{e}} $ des Elektrons und
    der Feinstrukturkonstante $ \alpha, $
  • während der Bohrsche Radius des myonischen Wasserstoffs nur ca. ein Dreißigstel dieses Wertes beträgt: $ a_{0, \mathrm{myonisch}} \approx 0,73 \lambda_{\mathrm{e}}. $

Die Compton-Wellenlänge des Elektrons ist die typische Längenskala für die Vakuumpolarisation, folglich ist diese in myonischem Wasserstoff deutlich stärker ausgeprägt als in normalem Wasserstoff und die Lamb-Verschiebung ist die dominante Korrektur der Energiedifferenz von 2p- und 2s-Niveau. Anschaulich gesprochen hat das Myon im kugelsymmetrischen 2s-Niveau eine gewisse von Null verschiedene Aufenthaltswahrscheinlichkeit „im Innern des Protons“, in diesem Fall „sieht“ es dessen elektrische Ladung nicht – das Myon im 2p-Niveau hat dagegen beim Proton die Aufenthaltswahrscheinlichkeit Null.

Durch den geringen Abstand zwischen Myon und Proton kann die Größe des Protons gemessen werden, da die endliche Größe die Energieniveaus beeinflusst. Eine Messung im Jahr 2010 lieferte für den Protonenradius den Wert 0,84184(67) fm, welcher von den vorherigen Messwerten signifikant abweicht, allerdings wesentlich genauer ist.[1] Von derselben Arbeitsgruppe durchgeführte Messungen aus dem Jahr 2013 liefern mit einem Protonenradius von 0,84087(39) fm einen nochmals genaueren Messwert, der jedoch immer noch vom, durch Streuungsmessungen an elektronischem Wasserstoff bestimmten, Wert des Protonenradius von 0,8775(51) fm abweicht.[2] Dies könnte ein Hinweis auf eine Neue Physik sein, da das Standardmodell bisher nicht im Stande ist diese Abweichung zu erklären.[3]

Einzelnachweise

  1. Randolf Pohl et al.: The size of the proton. In: Nature. Band 466, Nr. 7303, 2010, S. 213–216, doi:10.1038/nature09250.
  2. Randolf Pohl et al.: Muonic hydrogen and the proton radius puzzle. In: Annual Review of Nuclear and Particle Science. Vol. 63, 2013, S. 175–204, doi:10.1146/annurev-nucl-102212-170627, arxiv:1301.0905v2.
  3. Randolf Pohl, Jan C. Bernauer: Das Proton-Paradoxon. In: Spektrum der Wissenschaft. April, 2014, S. 48–55.

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