Позитроний

Эта статья об экзотическом атоме. Чтобы узнать об изотопе водорода, см. Изотопы водорода § Водород-1 (протий) .

Электрон . и позитрон вокруг общего центра масс вращаются Состояние s имеет нулевой угловой момент, поэтому вращение вокруг друг друга будет означать движение прямо друг к другу до тех пор, пока пара частиц не рассеется или не аннигилирует, в зависимости от того, что произойдет 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 ониум . В отличие от водорода, в системе нет протонов . Система нестабильна: две частицы аннигилируют друг друга, производя преимущественно два или три гамма-излучения , в зависимости от относительных состояний спина. Энергетические уровни двух частиц аналогичны уровням атома водорода (который представляет собой связанное состояние протона и электрона). Однако из-за уменьшенной массы частоты спектральных линий вдвое меньше частот соответствующих линий водорода.

Штаты

Масса позитрония составляет 1,022 МэВ, что в два раза больше массы электрона за вычетом энергии связи в несколько эВ. Орбитальное состояние позитрония с самой низкой энергией — 1S, и, как и водород, оно имеет сверхтонкую структуру , возникающую из-за относительной ориентации спинов электрона и позитрона.

Синглетное ​ состояние , ¹
С
₀ с антипараллельными спинами ( S = 0, M _s = 0) известен как пара -позитроний ( p -Ps). Он имеет среднее время жизни 0,12 нс и распадается преимущественно на два гамма-луча с энергией 511 кэВ каждый (в системе центра масс ). Пара -позитроний может распасться на любое четное число фотонов (2, 4, 6, ...), но вероятность быстро уменьшается с увеличением числа: коэффициент ветвления для распада на 4 фотона равен 1,439(2) × 10. ⁻⁶ .

Время жизни парапозитрония в вакууме составляет примерно

$$t_{0}={\frac {2\hbar }{m_{\mathrm {e} }c^{2}\alpha ^{5}}}=0.1244~\mathrm {ns} .$$

Тройка ​ гласит : ³ S ₁ с параллельными спинами ( S = 1, M _s = -1, 0, 1) известны как орто -позитроний ( o -Ps) и имеют энергию, которая примерно на 0,001 эВ выше, чем у синглета. Эти состояния имеют среднее время жизни 142,05 ± 0,02 нс . а ведущий распад – три гаммы. Другие способы распада незначительны; например, пятифотонная мода имеет коэффициент ветвления ≈ 10 ⁻⁶ .

Время жизни орто -позитрония в вакууме можно приблизительно рассчитать как:

$$t_{1}={\frac {{\frac {1}{2}}9h}{2m_{\mathrm {e} }c^{2}\alpha ^{6}(\pi ^{2}-9)}}=138.6~\mathrm {ns} .$$

Однако более точные расчеты с поправками на O (α ² ) дают значение 7,040 мкс ⁻¹ для скорости затухания, соответствующей времени жизни 142 нс .

Позитроний в состоянии 2S метастабилен и имеет время жизни 1100 нс против аннигиляции . Позитроний, созданный в таком возбужденном состоянии, быстро перейдет в основное состояние, где аннигиляция произойдет 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 энергией 1022 кэВ (сумма энергии-массы электрона и позитрона), обычно 2 или 3, при этом за одну аннигиляцию регистрируется до 5 фотонов гамма-излучения.

Аннигиляция в пару нейтрино -антинейтрино также возможна, но ее вероятность, по прогнозам, пренебрежимо мала. Коэффициент ветвления распада o -Ps для этого канала составляет 6,2 × 10 ⁻¹⁸ ( электронное нейтрино – пара антинейтрино) и 9,5 × 10 ⁻²¹ (для другого вкуса) в предсказаниях, основанных на Стандартной модели, но его можно увеличить за счет нестандартных свойств нейтрино, таких как относительно высокий магнитный момент . Экспериментальные верхние пределы коэффициента ветвления для этого распада (как и для распада на любые «невидимые» частицы) составляют < 4,3 × 10 ⁻⁷ для p -Ps и < 4,2 × 10 ⁻⁷ для о -Пс.

Уровни энергии

Основная статья: Модель Бора § Уровни энергии электронов

Хотя для точного расчета уровней энергии позитрония используется уравнение Бете-Солпитера или уравнение Брейта , сходство между позитронием и водородом позволяет сделать приблизительную оценку. В этом приближении уровни энергии различны из-за различной эффективной массы μ в уравнении энергии (вывод см В уровнях энергии электронов . ):

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

где:

• q _e – величина заряда электрона (такая же, как и у позитрона),
• h — постоянная Планка ,
• ε ₀ — электрическая постоянная (также известная как диэлектрическая проницаемость свободного пространства),
• μ — приведенная масса :
  $$\mu ={\frac {m_{\mathrm {e} }m_{\mathrm {p} }}{m_{\mathrm {e} }+m_{\mathrm {p} }}}={\frac {m_{\mathrm {e} }^{2}}{2m_{\mathrm {e} }}}={\frac {m_{\mathrm {e} }}{2}},$$
  где m _e и m _p — соответственно массы электрона и позитрона (которые по определению совпадают с античастицами).

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

Итак, наконец, энергетические уровни позитрония определяются выражением

$$E_{n}=-{\frac {1}{2}}{\frac {m_{\mathrm {e} }q_{\mathrm {e} }^{4}}{8h^{2}\varepsilon _{0}^{2}}}{\frac {1}{n^{2}}}={\frac {-6.8~\mathrm {eV} }{n^{2}}}.$$

Самый низкий энергетический уровень позитрония ( n = 1 ) составляет −6,8 эВ . Следующий уровень — −1,7 эВ . Отрицательный знак — это соглашение, подразумевающее связанное состояние . Позитроний также можно рассматривать с помощью особой формы уравнения Дирака для двух тел ; Две частицы с кулоновским взаимодействием могут быть точно разделены в (релятивистской) системе координат центра импульса , а результирующая энергия основного состояния была получена очень точно с использованием конечных элементов методов Джанин Шерцер . Их результаты приводят к открытию аномальных состояний. Уравнение Дирака, гамильтониан которого состоит из двух частиц Дирака и статического кулоновского потенциала, не является релятивистски-инвариантным. Но если добавить 1 / с ^{2 н} (или α ^{2 н} , где α — постоянная тонкой структуры ) члены, где n = 1,2... , то результат релятивистски инвариантен. Включен только ведущий член. α ​ ² вклад — термин Брейта; работники редко ходят в α ⁴ потому что при α ³ есть лэмбовский сдвиг, который требует квантовой электродинамики.

Формирование и распад материалов

После того как радиоактивный атом в материале подвергается β ⁺ распад (эмиссия позитрона), образующийся позитрон высокой энергии замедляется при столкновении 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 определенное значение в позитронно-эмиссионной томографии . Примерно:

• ~60% позитронов аннигилируют непосредственно с электроном, не образуя позитрония. Аннигиляция обычно приводит к образованию двух гамма-лучей. В большинстве случаев эта прямая аннигиляция происходит только после того, как позитрон потерял свою избыточную кинетическую энергию и термализовался вместе с материалом.
• ~10% позитронов образуют пара -позитроний, который затем быстро (за ~0,12 нс) распадается, обычно на два гамма-кванта.
• ~30% позитронов образуют орто -позитроний, но затем аннигилируют в течение нескольких наносекунд, «отбирая» другой ближайший электрон с противоположным спином. Обычно это дает два гамма-излучения. В это время очень легкий атом позитрония демонстрирует сильное движение в нулевой точке, которое оказывает давление и способно вытолкнуть крошечный пузырек нанометрового размера в среде.
• Лишь ~0,5% позитронов образуют орто -позитроний, который самораспадается (обычно на три гамма-луча). Эта естественная скорость распада орто -позитрония относительно медленная (время распада ~ 140 нс) по сравнению с вышеупомянутым процессом снятия, поэтому трехгамма-распад происходит редко.

История

Позитрониевый луч в Университетском колледже Лондона — лаборатория, используемая для изучения свойств позитрония.

Хорватский физик Степан Мохоровичич предсказал существование позитрония в статье 1934 года, опубликованной в Astronomische Nachrichten , в которой он назвал его «электрумом». Другие источники ошибочно полагают, что Карл Андерсон предсказал его существование в 1932 году, находясь в Калифорнийском технологическом институте . Он был экспериментально открыт Мартином Дойчем в Массачусетском технологическом институте в 1951 году и стал известен как позитроний. Многие последующие эксперименты точно измерили его свойства и подтвердили предсказания квантовой электродинамики.

Несоответствие, известное как загадка времени жизни ортопозитрония, сохранялось в течение некоторого времени, но было разрешено дальнейшими расчетами и измерениями. Измерения были ошибочными из-за измерения времени жизни нетермализованного позитрония, который производился лишь с небольшой скоростью. Это привело к тому, что продолжительность жизни оказалась слишком длинной. Кроме того, расчеты с использованием релятивистской квантовой электродинамики сложны, поэтому они проводились только для первого порядка. Поправки, включающие высшие порядки, затем были рассчитаны в рамках нерелятивистской квантовой электродинамики.

В 2024 году коллаборация AEgIS в ЦЕРНе первой охладила позитроний лазерным светом, сделав его доступным для экспериментального использования. Вещество довели до температуры -100 °C (-148 °F) с помощью лазерного охлаждения .

Экзотические соединения

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

Первое наблюдение дипозитрония ( Ps ₂ ) Молекулы — молекулы, состоящие из двух атомов позитрония — были описаны 12 сентября 2007 года Дэвидом Кэссиди и Алленом Миллсом из Калифорнийского университета в Риверсайде .

В отличие от мюония , позитроний не имеет аналога ядра, поскольку электрон и позитрон имеют равные массы. Следовательно, хотя мюоний имеет тенденцию вести себя как легкий изотоп водорода, Позитроний демонстрирует большие различия по размеру, поляризуемости и энергии связи с водородом.

Естественное явление

События барионной в ранней Вселенной, приведшие к асимметрии, предшествовали образованию атомов (включая экзотические разновидности, такие как позитроний) примерно на треть миллиона лет, поэтому тогда атомов позитрония не возникло.

Точно так же позитроны, встречающиеся в природе в наши дни, являются результатом высокоэнергетических взаимодействий, таких как взаимодействия космических лучей с атмосферой, и поэтому они слишком горячие (термически энергичные), чтобы образовывать электрические связи перед аннигиляцией .

См. также

• Широкое уравнение
• Антипротонный гелий
• Ди-позитроний
• Квантовая электродинамика
• Протоний
• Уравнения Дирака двух тел

Внешние ссылки

• Аннигиляция позитрония - Фейнмановские лекции по физике
• Поиски позитрония
• Некролог Мартина Дойча, первооткрывателя позитрония