V heliju zamenjan elektron z muonom

Profesor Donald G. Fleming z University of British Columbia v Vancouvru je s sodelavci pripravil posebno eksotično vrsto helija, ki se kemijsko obnaša kakor vodik, o čemer so poročali v članku Kinetic Isotope Effects for the Reactions of Muonic Helium and Muonium with H₂, ki je izšel v reviji Science.

Navaden vodik sestoji iz protona, ki sestavlja jedro, in elektrona, ki kroži okrog jedra. Težja izotopa devterij in tritij imata v jedru še en oziroma dva nevtrona, zaradi česar sta dvakrat oziroma trikrat težja od lahkega vodika. V kemiji je razlika med izotopi praktično nezaznavna, edina opazna razlika je kinetični izotopski efekt. Ta se kaže kot različna hitrost reakcij, manjša kislost devteriranih spojin, spremenjena jakost vodikove vezi itn.

V ciklotronu TRIUMF v Vancouvru so v heliju en elektron zamenjali z muonom. Moun je elementarni delec iz razreda leptonov, ki ima enak negativni naboj kot elektron in 200-krat večjo maso od njega. Zato je okoli jedra helija, ki ga sestavljata dva protona in dva nevtrona, krožil 200-krat bliže od preostalega elektrona. S tem je učinkovito zasenčil en proton, tako da se je nastali hibridni helijev atom vedel enako kot vodikov atom, le da je njegova masa 4,1-krat večja.

Atom je uspešno sodeloval v reakciji z molekula vodika, tako da je iz nje odtrgal en vodikov atom in se povezal z njim: ^4,1H + ¹H₂ --> ^4,1H¹H + ¹H.

Fascinantno je, da je sam Donald G. Truhlar z University of Minnesota v Minneapolisu pred izvedbo eksperimenta teoretično izračunal energije in hitrosti poteka, ki so se povsem ujemale z izmerjenimi. V teoriji seveda lahko vsako kemijsko reakcijo natančno izračunamo s kvantno mehaniko, a je spremenljivk tako veliko, da tega ne moremo početi. Truhlar pravi, da je bila omenjena reakcija ravno na meji sposobnosti.

Sedaj imamo na voljo celo plejado vodikovih izotopov za študije vpliva mase. Poleg navadnega vodika imamo devterij z enim nevtronom in dvakratno maso, radioaktivni tritij z dvema nevtronoma in trikratno maso ter, po novem, helij z muonom, ki je za vse namene enak vodiku s 4,1-kratno maso (že dlje časa je znan obstoj vodika-4 s tremi nevtroni in celo analogi vse do vodika-7, a je njihova življenjska doba prekratka, da bi bil uporabni). Če pa je celo lahek vodik pretežek, lahko uporabimo muonij, ki ga sestavljata antimuon in elektron ter ima le 11 odstotkov mase vodika.