Позитрониум

Еден електрон и позитрон кои кружат околу нивниот заедничко тежиште. (s состојбата има аголен импулс- нула; па орбитирајќи еден околу друг би значело дека може да отидат една кон друга сè додека не се расејат или поништат, без разлика кој и да е прв настан ). Ова сврзна квантна состојба е позната како позитрониум.

Позитрониум (Ps) — систем што се состои од еден електрон и неговата анти-честичка, позитрон, врзани заедно во егзотични атоми, (конкретно) ониум. Системот е нестабилен: двете честички се уништуваат меѓусебно, и воглавно произведуваат два или три гама-зраци, во зависност од нивната релативна состојба на спинот. Орбитата и и нивините нивоа на енергија се слични со оние како кај водородниот атом (која е состојба на еден протон и еден електрон). Сепак, поради редуцираната маса, честотите на спектрални линии се помали за половина од соодветните водородни линии.

Состојби

Масата на позитрониумот е 1.022 MeV, што е за двапати поголема од електронската маса минус сврзната енергија од неколку eV. Основната состојба на позитрониумот, како и таа кај водородот, има две можни конфигурации во зависност од релативната насока на спиновите на електронот и позитронот .

Сиглетната состојба, 1
S
0, со антипаралелни спинови (S = 0, M_s = 0) е позната како парапозитрониум (p-Ps) . Парапозитрониумот живее само 0,125 ns и се распаѓа следствено на два гама-зраци со енергија од 511 keV (појдовниот систем на тежиштето). Со откривањето на овие фотони може да се открие кога положбата во која се случило распаѓањето. Овој процес се користи во позитронско-емисионата томографија. Парапозитрономиумот може да се распадне во целоброен парен број фотони (2, 4, 6, ...), но веројатноста брзо се намалува со зголемување на бројот: соодносот на распад на 4 фотони од (1,439 ± (2))⋅10^-6.

Животнот век на парапозитрониум во вакуум е приближно:

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

Триплетната состојба, ³S₁, со паралелни спинови (S = 1, M_s = -1, 0, 1) е позната како ортопозитрониум (o-Ps). Таа има краток живот од 142,05 ± 0,02 ns, и се распаѓа на три гама-зраци. Другите начини на распаѓање се занемарливи, на пример: модот од пет фотони има сооднос на распад од ≈10^-6.

Животниот век на ортопозитрониумот во вакуум може приближно да се пресмета како:

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

Сепак, поточните пресметки со исправки од редот на O(α2) придонесуваат за вредност од 7.040 μs⁻¹ за стапката на распад, што одговара на животен век од 142 нс.

Позитрониумот во 2S состојбата е метастабилен и има животен век од околу 1.100 ns пред да се поништи. Позитронумиумот кој ќе биде создаден во таква возбудена состојба, брзо ќе се врати во основната состојба, каде што поништувањето ќе се случи многу побрзо.

Мерења

Мерењата на овие животни векови и нивото на енергија се користат во прецизни тестирања на квантна електродинамика, потврдувајќи ги предвидувањата на квантната електродинамика (КЕД) со висока прецизност. Поништувањето може да продолжи преку голем број на канали, секој од нив произведува гама-зраци со вкупна енергија на 1.022 keV (збир од масената енергија на електронот и позитронот), обично се снимени 2 или 3, па сè до 5 зраци.

Поништувањето во неутринско–антинеутрински пар е исто така можен, но веројатноста е предвидено дека ќе биде занемарлива. Соодносот на распад за о-Ps за овој канал е 6,2⋅10^-18 (пар електронско неутрино–антинеутрино) и 9,5⋅10^-21 (за друг вкус) во предвидувања засновани на стандардниот модел, но тоа може да биде зголемено од страна на нестандардните неутрински својства, како релативно високите магнетни моменти. Крајните граници на соодносот на распад за овој распад (како и за распаѓањето во било кои „невидливи“ честички) се <4,3⋅10^-7 за p-Ps и <4,2⋅10^-7 за о-Ps.

Нивоа на енергија

Главна статија: Боров модел § Електронски енергетски нивоа

Додека прецизната пресметка на позитрониумското ниво на енергија ја користи Бете–Солпитеровата равенка или Брејтовата равенка, сличноста помеѓу позитрониумот и водородот овозможува груба проценка. Во оваа проценка, нивоата на енергија се различни, поради различната делотворна маса, m* и во равенката за енергија (Погледајте изведување на електронско ниво на енергија):

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

каде:

q_e е големината на полнежот на електронот (ист е и за позитроните),

h е Планкова константа,

ε₀ е диелектрична константа ( позната и како пробивност),

μ е редуцираната маса:

$\mu ={\frac {m_{\mathrm {e} }m_{\mathrm {p} }}{m_{\mathrm {e} }+m_{\mathrm {p} }}}={\frac {m_{\mathrm {e} }^{2}}{2m_{\mathrm {e} }}}={\frac {m_{\mathrm {e} }}{2}},$

каде што m_e и m_p се соодветно, масата на електронот и позитронот (кои по дефиниција се исти како и античестичките).

На тој начин, позитрониумот, и неговата редуцирана маса само се разликува од електрон само врз основа за фактор 2. Ова предизвикува нивоата на енергија, исто така, да биде приближно половина од она кај водородниот атом.

Така , нивоата на енергија за позитронониумот се дадени со равенката:

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

Најниско ниво на енергија на позитрониумот (n = 1) е −6.8 електроволти (eV). Следното ниво е −1,7 eV. Негативниот знак подразбира сврзана состојба . Позитрониумот исто така, може да се смета од една страна за одреден облик на Диракова равенка за две тела, каде точкести честички под дејство на Кулоново заемодејство може точно да бидат одделени во (релативистички) појдовниот систем на тежиштето и како резултат основната состојба на енергија се добива со користење на прецизни методи на конечни елементи, како оние на Шерцер. Нивните резултати водат до откривање на аномални состојби. Дираковата равенка чиј Хамилтонијан се состои од две Диракови честички и статичен Кулонов потенцијал не е релатиовистичка неменлива. Но, доколку се додаде условот 1c²ⁿ (или α²ⁿ, каде што α е константата на фината структура) , каде n = 1,2…, тогаш резултатот е релативистички неменлив. Се користи само првиот член. Придонесот α² е Брејтовиот услов; ретко се користи α⁴, бидејќи при α³ ќе дојде до Ламбова промена, која пак побарува употреба на квантна електродинамика.

Историја

Позитрониумскиот Зрак во Лондон, лабораторија која се користи за изучување на хемискиот состав на позитрониумот

Стјепан Moхоровичиќ го предвидел постоењето на позитрономиумот дури во труд објавен во 1934 година, објавен во Astronomische Nachrichten, во која тој го нарекол „електрум“. Други извори заслугите ги даваат на Карл Андерсон за тоа што го предвидел неговото постоење во 1932 година, а додека работел во Калтех. Експериментално е потврден од страна на Мартин Дојч на МИТ, во 1951 година, и го добил името позитрониум. Многу последователни експерименти прецизно ги измериле неговите својства и ги потрврдиле предвидувањата на КЕД. Постоело несовпаѓање познато како ортопозитрониумска загатка поврзана со животниот век, која опстојувала одреден временски период, но била разрешена со понатамошни пресметки и мерења. Мерењата биле грешни, поради мерењето на животниот век на нетоплинскиот позинтрониум, кој бил произведен само во мали количини. Ова давало животни векови кои биле премногу долги. Исто така пресметките кои користеле реларивистичка КЕД се тешки за пресметување, па затоа добиените решенија биле само од прв ред. Исправките што вклучувале повисоки редови биле пресметани со употреба на нерелативистичка КЕД.

Егзотични соединенија

Било предвидено дека постои молекуларното сврзување за позитрониумот. Добиени се молекули на позитрониум хидрид (PsH). Позитрониумот исто така, може да формира цијанид и може да создаде врски со халогени елементи или со литиумот.

Првото набљудување на дипозитриумски молекули—молекули составени од два позитрониумски атоми—било објавено на 12 септември 2007 година, од страна на Дејвид Касиди и Ален Милс од Калифорнискиот универзитет во Риверсајд.

Појава во природата

Позитрониумот со високи енергетски состојби се предвидува дека ќе биде доминантен облик на атомска материја во универзумот во далечната иднина, доколку распадот на протоните е реалност.

Поврзано

• Брејтова равенка
• Антипротонски хелиум
• Дипозитрониум
• Квантна електродинамика
• Протониум
• Диракови равенки за две тела

Надворешни врски

• Барањето за Positronium
• Obituary на Мартин Германски, discoverer на Positronium
• Мрежно место за positrons, positronium и antihydrogen. Позитрон Лабораторија, Комо, Италија