Atomo muonico
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Gli atomi muonici sono particolari tipi di atomi mesici. La loro differenza rispetto ad un atomo ordinario e' dovuta alla presenza di uno o piu' muoni nella shell elettronica, che andranno a prendere il posto degli elettroni. I primi studi su questo tipo di atomi sono di Enrico Fermi ed Edward Teller.
[modifica] Formazione ed evoluzione
Quando un muone con carica negativa si arresta all’interno di un materiale, esso viene attratto dal nucleo di un atomo, e rapidamente ne viene catturato. Successivamente, la particella scendera' attraverso i vari livelli energetici fino a giungere al livello ad energia minima, chiamato 1S. L'energia emessa durante questo processo, chiamato cascata muonica, portera' dapprima all'emissione di elettroni per effetto Auger, e successivamente (tipicamente intorno al livello n=5) tramite emissione di raggi X, ma i dettagli dell'emissione dipendono dalla natura chimica e fisica del materiale assorbente. Ad esempio, se il materiale e' sotto forma gassosa, gli orbitali elettronici lasciati liberi in seguito all'emissione Auger verranno difficilmente rimpiazzati. Il muone, a questo punto, ha due possibili destini: puo' decadere spontaneamente mentre si trova in orbita (ricordiamo che si tratta di una particella instabile), oppure puo' venir catturato dal nucleo dell'atomo. Il decadimento spontaneo avviene secondo la tipica reazione:
[modifica] Cattura nucleare
Dato che la massa del Muone e' molto maggiore di quella dell'elettrone, la sua orbita sara' molto piu' vicina al nucleo che non quella di un elettrone: nello stato 1S il raggio orbitale sara' sicuramente confrontabile col raggio di distribuzione di carica nucleare, ed addirittura per i nuclei piu' pesanti l'orbita muonica sara' interna al nucleo stesso. Pertanto, esistera' una certa probabilita' (dipendente dal numero atomico) che il muone venga catturato da un protone del nucleo, secondo la reazione:
Come si evidenzia dalla reazione, un protone del nucleo verra' trasformato in un neutrone, e l'asterisco sta ad indicare che il nucleo verra' portato in uno stato eccitato. Questa probabilita' dipendera' fortemente dal numero atomico del materiale assorbente, ed andra' dal 7% per atomi leggeri come il Carbonio fino ad arrivare al 97% per il Piombo. Lo stato eccitato del nucleo tendera' a decadere, ed il tipo di decadimento dipendera' dalla natura dell'elemento catturante. Nella maggior parte dei casi esso avverra' attraverso l'emissione di uno o piu' neutroni, ma se il nucleo e' particolarmente pesante puo' avvenire anche la fissione del nucleo.
Tra i modi di cattura nucleare, esiste anche la cattura di tipo radiativo. Anche in questo caso avviene una reazione tra il muone ed un protone del nucleo, ma la differenza rispetto al modello gia' discusso consiste nel fatto che l'energia rilasciata dalla cattura non va ad eccitare il nucleo, bensi' viene emessa tramite un fotone:
La probabilita' che questa reazione avvenga e' tuttavia modesta: di un fattore di circa 10 − 4 rispetto alla cattura di tipo ordinario.
E' da notare che una volta che il muone viene catturato dal nucleo, dato che un protone viene trasformato in un neutrone, cambia il numero atomico dell'atomo (da Z a Z-1) cambiando dunque con esso la natura dell'atomo stesso. Ad esempio, se il nucleo di un atomo di silicio ( Z=14 ) cattura un muone, esso diverra' un atomo di alluminio (Z=13).
