Войти
электрон и позитрон, вращающиеся вокруг их общий центр масс. (Состояние s имеет нулевой угловой момент; поэтому вращение вокруг друг друга означало бы 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), представляет собой систему, состоящую из электрона и его античастицы, позитрона., связанные вместе в экзотический атом, а именно в оний. Система нестабильна: две частицы аннигилируют друг с другом с преимущественным образованием двух или трех гамма-лучей, в зависимости от относительных состояний спина. Уровни энергии двух частиц аналогичны уровням атома водорода (который является связанным состоянием протона и электрона). Однако из-за уменьшенной массы частоты спектральных линий меньше половины частот соответствующих линий водорода.
Масса позитрония составляет 1,022 МэВ, что вдвое больше массы электрона за вычетом энергии связи в несколько эВ. Основное состояние позитрония, как и состояние водорода, имеет две возможные конфигурации в зависимости от относительной ориентации спинов электрона и позитрона.
синглетное состояние,. S. 0, с антипараллельными спинами (S = 0, M s = 0) известно как пара- позитроний (p-Ps). Он имеет среднее время жизни 0,12 нс и предпочтительно распадается на два гамма-излучения с энергией 511 кэВ каждый (в системе координат центра масс ). Обнаружив эти фотоны, можно определить положение, в котором произошел распад. Этот процесс используется в позитронно-эмиссионной томографии. Пара-позитроний может распадаться на любое четное число фотонов (2, 4, 6,...), но вероятность быстро уменьшается с увеличением числа: коэффициент разветвления для распада на 4 фотона равен 1,439 (2) × 10.
Время жизни пара-позитрония в вакууме приблизительно равно
Триплетное состояние , S 1, с параллельными спинами (S = 1, M s = -1, 0, 1) известен как орто-позитроний (o-Ps). Его среднее время жизни составляет 142,05 ± 0,02 нс, а ведущее затухание - три гаммы. Другие способы распада незначительны; например, пятифотонная мода имеет коэффициент ветвления ≈10.
Время жизни ортопозитрония в вакууме можно приблизительно рассчитать как:
Однако более точные вычисления с поправками на O (α²) дают значение 7,040 мкс для скорость распада, соответствующая времени жизни 142 нс.
Позитроний в состоянии 2S является метастабильным, имеющим время жизни 1100 нс против аннигиляции. Позитроний, созданный в таком возбужденном состоянии, быстро перейдет в основное состояние, в котором аннигиляция будет происходить быстрее.
Измерения этих времен жизни и уровней энергии использовались в прецизионных тестах квантовой электродинамики, подтверждая предсказания квантовой электродинамики (QED) для высокая точность.
Аннигиляция может происходить по ряду каналов, каждый из которых производит гамма-лучи с полной энергией 1022 кэВ (сумма массы-энергии электрона и позитрона), обычно 2 или 3, с записью до 5 гамма-квантов от одной аннигиляции.
Аннигиляция в пару нейтрино –антинейтрино также возможна, но прогнозируется, что эта вероятность пренебрежимо мала. Коэффициент ветвления для распада o-Ps для этого канала составляет 6,2 × 10 (пара электронных нейтрино –антинейтрино) и 9,5 × 10 (для других ароматов) в предсказаниях, основанных на Стандартной модели, но его можно увеличить. нестандартными свойствами нейтрино, такими как относительно высокий магнитный момент. Экспериментальные верхние пределы коэффициента ветвления для этого распада (а также для распада на любые "невидимые" частицы) составляют <4.3×10 for p-Ps and <4.2×10 for o-Ps.
В то время как для точного расчета уровней энергии позитрония используется Бете– Уравнение Солпитера или уравнение Брейта, сходство между позитронием и водородом позволяет приблизительно оценить. В этом приближении уровни энергии различаются из-за разной эффективной массы m * в уравнении энергии (см. уровни энергии электронов для вывода):
где:
Таким образом, для позитрония только его приведенная масса отличается от электрона в 2 раза. Это приводит к тому, что уровни энергии также примерно вдвое меньше, чем они для атома водорода.
Итак, наконец, уровни энергии позитрония определяются как
Самый низкий уровень энергии позитрония (n = 1) составляет -6,8 электронвольт (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 могут быть точно разделены в (релятивистской) системе координат центра импульса, и результирующая энергия основного состояния была получена очень точно с использованием конечных element методы Дж. Шертцера и подтверждены совсем недавно. Уравнение Дирака, гамильтониан которого состоит из двух дираковских частиц и статического кулоновского потенциала, не является релятивистски инвариантным. Но если добавить члены 1 / c (или α, где α - постоянная тонкой структуры ), где n = 1,2…, то результат будет релятивистски инвариантным. Включен только главный член. Вклад α - это член Брейта; рабочие редко переходят к α, потому что при α происходит сдвиг Лэмба, который требует квантовой электродинамики.
Луч позитрония в Университетском колледже Лондона, лаборатории, используемой для изучения свойств позитрония Степан Мохорович предсказал существование позитрония в статье 1934 года, опубликованной в Astronomische Nachrichten, в которой он назвал его «электрум». Другие источники считают, что Карл Андерсон предсказал его существование в 1932 году, когда он работал в Калтехе. Он был экспериментально обнаружен 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. 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 выполнять, поэтому они были выполнены только в первом порядке. Затем в нерелятивистской квантовой электродинамике были вычислены поправки, которые включали более высокие порядки.
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 дипозитрония (Ps 2) молекулы - молекулы, состоящие из двух атомов позитрония - сообщили 12 сентября 2007 г. Дэвид Кэссиди и Аллен Миллс из Калифорнийского университета, Риверсайд.
