Канадский химик Дональд Флеминг (Donald Fleming) и его коллеги из университета Ванкувера создали две искусственные формы атома водорода: ультралегкую (с массой чуть менее 10% от массы обычного водорода) и сверхтяжелую (в 4 раза тяжелее обычного). Обе модификации содержат короткоживущие частицы - мюоны. Мюон почти в 200 раз тяжелее электрона, но имеет такой же отрицательный заряд. Время жизни около 2.2 мкс.
Обычный атом водорода состоит из отрицательно заряженного электрона и положительного ядра - протона. 0,015% встречающегося в природе водорода - тяжелый дейтерий (ядро состоит из протона и нейтрона). Масса дейтерия превышает массу водорода в 2 раза. Еще есть тритий (соответственно масса его в 3 раза больше, а ядро состоит из двух нейтронов и протона). Это изотопы водорода (отличаются числом нейтронов в ядре).
Для получения ультралегкой формы протон в водороде заменили антимюоном (его заряд положителен), масса которого составляет всего 11% от массы протона. Для получения сверхтяжелой формы водорода использовался гелий. Гелий, имеет 2 электрона и ядро, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов. Один из электронов заменили на отрицательный мюон. Поскольку масса мюона в 200 раз превышает массу электрона, радиус "вращения" частицы будет меньше. Таким образом, отрицательный мюон скомпенсирует положительный заряд одного из протонов и в результате получим искусственный водород, масса которого в 4 раза превышает массу обычного водорода.
Результатом эксперимента стало совпадение экспериментальных данных о скорости реакции с теоретическими расчетами. Что довольно удивительно, ведь масса мюона в 200 раз больше массы электрона, а это соотношение определяет применимость приближения Борна - Оппенгеймера (адиабатического приближения).
(В квантовой механике при рассмотрении молекулярных систем делается допущение. Ядра считаются неподвижными, поскольку их масса превышает электронную массу в несколько раз. Тогда электроны будут двигаться в электростатическом поле, а волновая функция молекулы будет представлена в виде произведения волновой функции ядра и волновой функции для электронов. Электронная волновая функция будет медленно меняющейся функцией от координат ядра, а значит можно прибегнуть к упрощению и решить уравнение Шрёдингера отдельно для волновой функции электронов и отдельно для волновой функции ядер. Введение мюона изменяет соотношение масс, однако, как свидетельствует сравнение экспериментальных данных с теоретическим расчетом, на конечный результат это особого влияния не оказывает).
Таким образом, можно проводить моделирование более сложных систем на основе разработанных теоретических методов. Основной проблемой остается малое время жизни мюона, что ставит под сомнение возможность проведения экспериментов с более сложными химическими системами.
