Позитроний - Positronium

Электрон и позитрон на орбиту вокруг их общего центра масс . (Состояние s имеет нулевой угловой момент; поэтому вращение вокруг друг друга будет означать движение друг к другу прямо до рассеяния или до аннигиляции, в зависимости от того, что наступит раньше). Это связанное квантовое состояние, известное как позитроний .

Позитроний ( Ps ) - это система, состоящая из электрона и его античастицы , позитрона , связанных вместе в экзотический атом , в частности оний . Система нестабильна: две частицы аннигилируют друг с другом, производя преимущественно два или три гамма-излучения , в зависимости от относительных состояний спина. Эти энергетические уровни двух частиц подобны тому из атома водорода (который представляет собой связанное состояние протона и электрона). Тем не менее, из-за уменьшенной массы, то частота этих спектральных линий меньше , чем половина из них для соответствующих линий водорода.

состояния

Масса позитрония составляет 1,022 МэВ, что вдвое больше массы электрона за вычетом энергии связи в несколько эВ. Самым низкоэнергетическим орбитальным состоянием позитрония является 1S, и, как и в случае с водородом, оно имеет сверхтонкую структуру, возникающую из-за относительной ориентации спинов электрона и позитрона.

Синглет состояния ,1
S
0
, с антипараллельными спинами ( S  = 0, M s  = 0) известен как пара -позитроний ( p -Ps). Он имеет средний срок службы0,12  нс и распадается преимущественно на два гамма-кванта с энергиейПо 511  кэВ (в системе координат центра масс ). Пара- позитроний может распадаться на любое четное число фотонов (2, 4, 6, ...), но вероятность быстро уменьшается с увеличением числа: коэффициент ветвления для распада на 4 фотона равен1,439 (2) × 10 −6 .

Время жизни парапозитрония в вакууме составляет примерно

В триплетных состояниях , 3 S 1 , с параллельными спинами ( S  = 1, M сек  = -1, 0, 1) известны как орто- -positronium ( о -ps), и имеют энергию, которая приблизительно 0,001 эВ выше , чем синглет. Эти состояния имеют среднее время жизни142,05 ± 0,02 нс , а ведущий спад - три гаммы. Другие способы распада незначительны; например, пятифотонная мода имеет коэффициент ветвления ≈10 −6 .

Орто -positronium жизни в вакууме можно приблизительно рассчитать следующим образом:

Однако более точные расчеты с поправками на O (α²) дают значение7,040  мкс -1 для скорости распада, что соответствует времени жизни142 нс .

Позитроний в состоянии 2S является метастабильным и имеет время жизни1100 нс против аннигиляции . Позитроний, созданный в таком возбужденном состоянии, быстро перейдет в основное состояние, где аннигиляция будет происходить быстрее.

Измерения

Измерения этих времен жизни и уровней энергии использовались в прецизионных тестах квантовой электродинамики , подтверждая предсказания квантовой электродинамики (КЭД) с высокой точностью.

Аннигиляция может происходить по нескольким каналам, каждый из которых производит гамма-лучи с общей энергией1022  кэВ (сумма массы-энергии электрона и позитрона), обычно 2 или 3, с записью до 5 гамма-квантов от одной аннигиляции.

Аннигиляции в нейтрино -antineutrino пары также возможно, но вероятность, по прогнозам, будет незначительным. Коэффициент ветвления для распада o -Ps для этого канала равен6,2 × 10 −18 ( пара электронное нейтрино – антинейтрино) и9,5 × 10 −21 (для другого аромата) в предсказаниях, основанных на Стандартной модели, но он может быть увеличен нестандартными свойствами нейтрино, такими как относительно высокий магнитный момент . Экспериментальные верхние пределы вероятности ветвления для этого распада (как и для распада на любые «невидимые» частицы) <4,3 × 10 −7 для p -Ps и <4,2 × 10 −7 для o -Ps.

Уровни энергии

Хотя для точного расчета уровней энергии позитрония используется уравнение Бете – Солпитера или уравнение Брейта , сходство между позитронием и водородом позволяет сделать грубую оценку. В этом приближении уровни энергии различаются из-за другой эффективной массы m * в уравнении энергии (см. Уровни энергии электронов для вывода):

куда:

  • q e - величина заряда электрона (такого же, как и у позитрона),
  • h - постоянная Планка ,
  • ε 0 - электрическая постоянная (также известная как диэлектрическая проницаемость свободного пространства),
  • μ - приведенная масса :
    где m e и m p - соответственно масса электрона и позитрона (которые по определению идентичны античастицам).

Таким образом, для позитрония его приведенная масса отличается от массы электрона только в 2 раза. Это приводит к тому, что уровни энергии также примерно вдвое меньше, чем для атома водорода.

Итак, наконец, уровни энергии позитрония задаются формулой

Самый низкий уровень энергии позитрония ( n = 1 ) равен−6,8 эВ . Следующий уровень−1,7 эВ . Отрицательный знак - это соглашение, которое подразумевает связанное состояние . Позитроний также можно рассматривать с помощью особой формы двухчастичного уравнения Дирака ; Две частицы с кулоновским взаимодействием может быть точно разделена в (релятивистские) системе центра масс и в результате энергия основного состояния было получена очень точно с помощью метода конечных элементов из Джанин Shertzer и подтвердила совсем недавно. Уравнение Дирака, гамильтониан которого состоит из двух дираковских частиц и статического кулоновского потенциала, не является релятивистски инвариантным. Но если добавить 1/c 2 n(или α 2 n , где α - постоянная тонкой структуры ), где n = 1,2… , то результат релятивистски инвариантен. Включен только главный член. Α 2 вклад термин Брейт; рабочие редко переходят к α 4, потому что при α 3 наблюдается лэмбовский сдвиг, который требует квантовой электродинамики.

Формирование и распад материалов

После того, как радиоактивный атом в материале подвергается β + -распаду (испускание позитрона), образовавшийся высокоэнергетический позитрон замедляется из-за столкновения с атомами и в конечном итоге аннигилирует с одним из многих электронов в материале. Однако он может сначала образовать позитроний перед событием аннигиляции. Понимание этого процесса имеет важное значение для позитронно-эмиссионной томографии . Примерно:

  • ~ 60% позитронов будут напрямую аннигилировать с электроном без образования позитрония. Аннигиляция обычно приводит к появлению двух гамма-лучей. В большинстве случаев эта прямая аннигиляция происходит только после того, как позитрон потеряет свою избыточную кинетическую энергию и термализуется вместе с материалом.
  • ~ 10% позитронов образуют пара- позитроний, который затем быстро (за ~ 0,12 нс) распадается, обычно на два гамма-кванта.
  • \ 30% позитроны образуют орто -positronium , но затем аннигилирует в течение нескольких наносекунд от «хватая» другой близлежащий электрон с противоположной спиной. Обычно это дает два гамма-излучения. В это время очень легкий атом позитрония демонстрирует сильное движение нулевой точки, которое оказывает давление и способно вытолкнуть крошечный пузырь нанометрового размера в среде.
  • Только ~ 0,5% позитронов образуют орто -positronium , что само-распадов ( как правило , в три гамма - лучей). Этот природный скорость распада орто- -positronium относительно медленно (~ 140 нс распадаться срок службы), по сравнению с упомянутым выше тензометрический датчик процесса, из -за чего три-гамма - распад происходит редко.

История

Луч позитрония в Университетском колледже Лондона , лаборатории, используемой для изучения свойств позитрония

Степан Мохоровичич предсказал существование позитрония в статье 1934 года, опубликованной в Astronomische Nachrichten , в которой он назвал его «электрумом». Другие источники ошибочно считают, что Карл Андерсон предсказал его существование в 1932 году, когда он работал в Калифорнийском технологическом институте . Он был экспериментально обнаружен Мартином Дойчем из Массачусетского технологического института в 1951 году и стал известен как позитроний. Многие последующие эксперименты точно измерили его свойства и подтвердили предсказания квантовой электродинамики. Было несоответствие, известное как загадка времени жизни ортопозитрония, которая сохранялась в течение некоторого времени, но в конечном итоге была разрешена с помощью дальнейших вычислений и измерений. Измерения были ошибочными из-за измерения времени жизни нетеплового позитрония, который производился с небольшой скоростью. Это привело к слишком долгим жизням. К тому же расчеты с использованием релятивистской квантовой электродинамики трудно выполнить, поэтому они были выполнены только в первом порядке. Затем в нерелятивистской квантовой электродинамике были вычислены поправки, включающие более высокие порядки.

Экзотические соединения

Молекулярная связь была предсказана для позитрония. Могут быть получены молекулы гидрида позитрония (PsH). Позитроний также может образовывать цианид и может образовывать связи с галогенами или литием.

Первое наблюдение ди-позитрония (Ps 2 ) молекулы -молекулы , состоящий из двух атомов позитрония, сообщалось , 12 сентября 2007 года Дэвид Кэссиди и Аллен Миллс из Калифорнийского университета в Риверсайде .

Естественное явление

На события в ранней Вселенной , приводящие к барионной асимметрии предшествуют образование атомов ( в том числе экзотических пород , таких как позитрония) примерно треть миллиона лет, так что не атомов позитрония произошло тогда.

Аналогичным образом, позитроны, встречающиеся в природе в наши дни, являются результатом взаимодействий с высокой энергией, таких как взаимодействия космических лучей с атмосферой, и поэтому они слишком горячие (термически энергетические), чтобы образовывать электрические связи перед аннигиляцией .

Было предсказано, что позитроний в очень слабо связанных (чрезвычайно больших n ) состояниях будет доминирующей формой атомной материи во Вселенной в далеком будущем, если произойдет распад протона . Хотя любые позитроны и электроны, оставшиеся от распада материи, изначально двигались бы слишком быстро, чтобы связываться друг с другом, расширение Вселенной замедляет свободные частицы настолько, что в конечном итоге (через 10 85 лет, когда электроны и позитроны обычно равны 1. квинтиллионов парсеков) их кинетическая энергия фактически упадет ниже потенциала кулоновского притяжения, и, таким образом, они будут слабо связаны (позитроний). Образовавшиеся слабосвязанные электрон и позитрон закручиваются по спирали внутрь и в конечном итоге аннигилируют с расчетным временем жизни 10 141 год.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки