Positronium - Positronium

En elektron og positron, der kredser omkring deres fælles massecenter . (En s -tilstand har nul vinkelmoment; så kredsløb om hinanden ville betyde at gå lige på hinanden, indtil spredt eller til udslettelse, alt efter hvad der kommer først). Dette er en bundet kvantetilstand kendt som positronium .

Positronium ( Ps ) er et system bestående af en elektron og dens antipartikel , en positron , bundet sammen til et eksotisk atom , specifikt et onium . Systemet er ustabilt: de to partikler tilintetgør hinanden for hovedsageligt at producere to eller tre gammastråler , afhængigt af de relative spin-tilstande. De energiniveauer af de to partikler ligner den for hydrogenatomet (som er en bundet tilstand af en proton og en elektron). På grund af den reducerede masse er frekvenserne for spektrallinjerne dog mindre end halvdelen af dem for de tilsvarende brintlinjer.

Stater

Massen af positronium er 1,022 MeV, hvilket er to gange elektronmassen minus bindingsenergien for et par eV. Positroniums laveste energiorbitalstilstand er 1S, og ligesom med brint har den en hyperfin struktur, der stammer fra de relative orienteringer af elektronens og positronens spins.

Den singlet tilstand ,¹
S
₀, med antiparallelle spins ( S = 0, M _s = 0) er kendt som para -positronium ( p -Ps). Det har en gennemsnitlig levetid på0,12 ns og henfalder fortrinsvis til to gammastråler med energi på511 keV hver (i midten af massen ). Para -positronium kan henfalde til et hvilket som helst lige antal fotoner (2, 4, 6, ...), men sandsynligheden falder hurtigt med tallet: forgreningsforholdet for henfald i 4 fotoner er1.439 (2) × 10 ⁻⁶ .

Parapositroniums levetid i vakuum er ca.

{\ displaystyle t_ {0} = {\ frac {2 \ hbar} {m _ {\ mathrm {e}} c ^{2} \ alpha ^{5}}} = 0.1244 ~ \ mathrm {ns}.}

De triplet tilstande , ³ S ₁ , med parallelle spins ( S = 1, M _s = -1, 0, 1) er kendte som ortho -positronium ( o -PS), og har en energi, der er ca. 0,001 eV højere end singlet. Disse stater har en gennemsnitlig levetid på142,05 ± 0,02 ns , og det førende henfald er tre gammas. Andre former for forfald er ubetydelige; for eksempel har fem-foton-tilstanden forgreningsforhold på ≈10 ⁻⁶ .

Ortho -positroniums levetid i vakuum kan beregnes omtrent som:

{\ displaystyle t_ {1} = {\ frac {{\ frac {1} {2}} 9h} {2m _ {\ mathrm {e}} c ^{2} \ alpha ^{6} (\ pi ^{2 } -9)}} = 138,6 ~ \ mathrm {ns}.}

Imidlertid giver mere nøjagtige beregninger med korrektioner til O (α²) en værdi på7,040 μs^-1 for henfaldshastigheden, svarende til en levetid på142 ns .

Positronium i 2S -tilstand er metastabil med en levetid på1100 ns mod tilintetgørelse . Positronium skabt i sådan en ophidset tilstand vil hurtigt kaskade ned til grundtilstanden, hvor udslettelse vil ske hurtigere.

Målinger

Målinger af disse livstider og energi niveauer er blevet anvendt i præcision tests af kvanteelektrodynamik , hvilket bekræfter kvanteelektrodynamik (QED) forudsigelser til høj præcision.

Tilintetgørelse kan foregå via et antal kanaler, der hver producerer gammastråler med en total energi på1022 keV (summen af elektronen og positronmassenergien), normalt 2 eller 3, med op til 5 gammastrålefotoner optaget fra en enkelt tilintetgørelse.

Tilintetgørelsen til et neutrino –antineutrino -par er også mulig, men sandsynligheden forudsiges at være ubetydelig. Forgreningsforholdet for o -Ps henfald for denne kanal er6,2 × 10 ⁻¹⁸ ( elektronneutrino –antineutrino -par) og9,5 × 10 ⁻²¹ (for anden smag) i forudsigelser baseret på standardmodellen, men den kan øges med ikke-standardiserede neutrinoegenskaber, som et relativt højt magnetisk moment . De eksperimentelle øvre grænser for forgreningsforhold for dette henfald (såvel som forfald i eventuelle "usynlige" partikler) er <4,3 × 10 ⁻⁷ for p -Ps og <4,2 × 10 ⁻⁷ for o -PS.

Energiniveauer

Mens præcis beregning af positronium -energiniveauer anvender Bethe -Salpeter -ligningen eller Breit -ligningen , tillader ligheden mellem positronium og hydrogen et groft skøn. I denne tilnærmelse er energiniveauerne forskellige på grund af en anden effektiv masse, m *, i energiligningen (se elektronenerginiveauer for en afledning):

{\ displaystyle E_ {n} =-{\ frac {\ mu q _ {\ mathrm {e}}^{4}} {8h^{2} \ varepsilon _ {0}^{2}}} {\ frac { 1} {n^{2}}},}

hvor:

$q e$ erelektronens ladningsstørrelse (samme som positronen),
$h$ er Plancks konstante ,
$ε 0$ er den elektriske konstant (ellers kendt som permittivitet for ledigt rum),
$μ$ er den reducerede masse : ${\ displaystyle \ mu = {\ frac {m _ {\ mathrm {e}} m _ {\ mathrm {p}}} {m _ {\ mathrm {e}}+m _ {\ mathrm {p}}}} = {\ frac {m _ {\ mathrm {e}}^{2}} {2m _ {\ mathrm {e}}}} = {\ frac {m _ {\ mathrm {e}}} {2}},}$ hvor $m e$ og $m p$ er henholdsvis elektronens og positronens masse (som per definition er de samme som antipartikler).

Således for positronium adskiller den reducerede masse sig kun fra elektronen med en faktor 2. Dette får energiniveauerne til også nogenlunde at være halvdelen af, hvad de er for hydrogenatomet.

Så endelig er positroniums energiniveauer givet af

{\ displaystyle E_ {n} =-{\ frac {1} {2}} {\ frac {m _ {\ mathrm {e}} q _ {\ mathrm {e}}^{4}} {8h^{2} \ varepsilon _ {0}^{2}}} {\ frac {1} {n^{2}}} = {\ frac {-6.8 ~ \ mathrm {eV}} {n^{2}}}.}

Det laveste energiniveau for positronium ( $n = 1$ ) er−6,8 eV . Det næste niveau er−1,7 eV . Det negative tegn er en konvention, der indebærer en bundet tilstand . Positronium kan også betragtes ved en bestemt form for to-krops Dirac-ligningen ; To partikler med en Coulomb-interaktion kan nøjagtigt adskilles i den (relativistiske) moment-momentramme, og den resulterende jordtilstandsenergi er blevet opnået meget præcist ved hjælp af endelige elementmetoder fra Janine Shertzer og bekræftet for nylig. Dirac -ligningen, hvis Hamiltonian består af to Dirac -partikler og et statisk Coulomb -potentiale, er ikke relativistisk invariant. Men hvis man tilføjer $.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num,.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0 0.1em}.mw-parser-output .sfrac .den{border-top:1px solid}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px} 1/c 2 n$ (eller $α 2 n$ , hvor $α$ er den fine strukturkonstant ) termer, hvor $n = 1,2\dots$ , så er resultatet relativistisk invariant. Kun det ledende udtryk er inkluderet. Den $α 2$ bidrag er Breit sigt; arbejdere går sjældent til $α 4,$ fordi man ved $α 3$ har lammeskiftet, hvilket kræver kvanteelektrodynamik.

Dannelse og forfald i materialer

Efter at et radioaktivt atom i et materiale undergår et β ⁺ henfald (positronemission), sænkes det resulterende højenergipositron ved at kollidere med atomer og til sidst tilintetgøres med en af de mange elektroner i materialet. Det kan dog først danne positronium før tilintetgørelsesbegivenheden. Forståelsen af denne proces er af en vis betydning ved positronemissionstomografi . Rundt regnet:

~ 60% af positroner vil direkte udslette med en elektron uden at danne positronium. Tilintetgørelsen resulterer normalt i to gammastråler. I de fleste tilfælde sker denne direkte tilintetgørelse først, efter at positronen har mistet sin overskydende kinetiske energi og er blevet termisk med materialet.
~ 10% af positroner danner para -positronium, som derefter hurtigt (i ~ 0,12 ns) henfalder, normalt til to gammastråler.
~ 30% af positronerne danner ortho -positronium, men tilintetgør derefter inden for få nanosekunder ved at 'plukke' en anden elektron i nærheden med modsat roterende spin. Dette producerer normalt to gammastråler. I løbet af denne tid udviser det meget lette positroniumatom en stærk nulpunktsbevægelse, der udøver et tryk og er i stand til at skubbe en lille boble i nanometerstørrelse ud i mediet.
Kun ~ 0,5% af positroner danner ortho -positronium, der selv henfalder (normalt til tre gammastråler). Denne naturlige henfaldshastighed for ortho- positronium er relativt langsom (~ 140 ns henfaldstid), sammenlignet med den førnævnte afhentningsproces, hvorfor tre-gammaforfald sjældent forekommer.

Historie

Positroniumstrålen ved University College London , et laboratorium, der bruges til at studere positroniums egenskaber

Stjepan Mohorovičić forudsagde eksistensen af positronium i en artikel fra 1934, der blev offentliggjort i Astronomische Nachrichten , hvor han kaldte det "electrum". Andre kilder krediterer Carl Anderson forkert som at have forudsagt dets eksistens i 1932, mens han var hos Caltech . Det blev eksperimentelt opdaget af Martin Deutsch på MIT i 1951 og blev kendt som positronium. Mange efterfølgende forsøg har præcist målt dets egenskaber og verificeret forudsigelser af kvanteelektrodynamik. Der var en uoverensstemmelse kendt som ortho-positronium-livstidspuslespillet, der fortsatte i nogen tid, men til sidst blev løst med yderligere beregninger og målinger. Målinger var en fejl på grund af livstidsmåling af ustermiseret positronium, som kun blev produceret med en lille hastighed. Dette havde givet for lange levetider. Også beregninger ved hjælp af relativistisk kvanteelektrodynamik er vanskelige at udføre, så de var kun blevet udført i første rækkefølge. Korrektioner, der involverede højere ordrer, blev derefter beregnet i en ikke-relativistisk kvanteelektrodynamik.

Eksotiske forbindelser

Molekylær binding blev forudsagt for positronium. Molekyler af positroniumhydrid (PsH) kan fremstilles. Positronium kan også danne et cyanid og kan danne bindinger med halogener eller lithium.

Den første observation af di-positronium (Ps ₂ ) molekyler-molekyler bestående af to positroniumatomer-blev rapporteret den 12. september 2007 af David Cassidy og Allen Mills fra University of California, Riverside .

Naturlig forekomst

De begivenheder i det tidlige univers, der fører til baryon asymmetri ligger forud dannelsen af atomer (herunder eksotiske sorter som positronium) ved omkring en tredjedel af en million år, så ingen positronium atomer forekom derpå.

På samme måde stammer de naturligt forekommende positroner i nutiden fra interaktioner med høj energi, såsom i kosmiske stråle –atmosfære interaktioner, og er derfor for varme (termisk energiske) til at danne elektriske bindinger før tilintetgørelse .

Positronium i meget svagt bundne (ekstremt store n ) tilstande er blevet forudsagt at være den dominerende form for atommateriale i universet i den fjerne fremtid, hvis protonforfald opstår. Selvom alle positroner og elektroner, der er tilovers fra stofets forfald, i første omgang ville bevæge sig alt for hurtigt til at binde sammen, sænker udvidelsen af universet frie partikler så meget, at det til sidst (om 10 ⁸⁵ år, hvor elektroner og positroner typisk er 1 quintillion parsecs fra hinanden) deres kinetiske energi vil faktisk falde under Coulomb -attraktionspotentialet, og dermed vil de være svagt bundet (positronium). Den resulterende svagt bundne elektron og positron spiral indad og til sidst tilintetgøre med en anslået levetid på 10 ¹⁴¹ år.

Languages

In other projects

Positronium - Positronium

Indhold