Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья про экзотический атом. Для изотопа водорода см. Изотопы водорода § Водород-1 (протий) .
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, в основном производя 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 половины таковых для соответствующих водородных линий.

Штаты [ править ]

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, он 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). У него 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 . [1]

Время жизни парапозитрония в вакууме примерно [1]

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. [1] Эти состояния имеют среднее время жизни142,05 ± 0,02 нс , [2] и ведущий спад - три гаммы. Другие способы распада незначительны; например, пятифотонная мода имеет коэффициент ветвления ≈10 −6 . [3]

Орто -positronium жизни в вакууме можно приблизительно рассчитать следующим образом: [1]

Однако более точные расчеты с поправками на O (α²) дают значение7,040  мкс -1 для скорости распада, что соответствует времени жизни142 нс . [4] [5]

Позитроний в состоянии 2S является метастабильным и имеет время жизни1100 нс против аннигиляции . [6] Позитроний, созданный в таком возбужденном состоянии, быстро перейдет в основное состояние, где аннигиляция будет происходить быстрее.

Измерения [ править ]

Измерения этих времен жизни и уровней энергии использовались в прецизионных тестах квантовой электродинамики , подтверждая предсказания квантовой электродинамики (КЭД) с высокой точностью. [1] [7] [8]

Аннигиляция может происходить по ряду каналов, 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 распада o -Ps для этого канала равен6,2 × 10 −18 ( пара электронное нейтрино – антинейтрино) и9,5 × 10 −21 (для другого аромата) [3] в предсказаниях, основанных на Стандартной модели, но он может быть увеличен нестандартными свойствами нейтрино, такими как относительно высокий магнитный момент . Экспериментальные верхние пределы степени 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. [2]

Уровни энергии [ править ]

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 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 два раза. Это приводит к тому, что уровни энергии также примерно вдвое меньше, чем они для атома водорода.

Итак, наконец, уровни энергии позитрония даются как

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 была получена очень точно с помощью метода конечных элементов из Джанин Shertzer [9] и подтверждена совсем недавно. [10] Уравнение Дирака, гамильтониан которого состоит из двух дираковских частиц и статического кулоновского потенциала, не является релятивистски инвариантным. Но если добавить1/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. [9]

Формирование и распад материалов [ править ]

После того, как радиоактивный атом в материале подвергается β + -распаду (излучение 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: [11] [12]

  • ~ 60% позитронов будут непосредственно аннигилировать с электроном без образования позитрония. В результате аннигиляции обычно образуются два гамма-излучения. 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 [ править ]

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». [13] Другие источники считают, что Карл Андерсон предсказал его существование в 1932 году, когда он работал в Калифорнийском технологическом институте . [14] Он был экспериментально обнаружен Мартином Дойчем из Массачусетского технологического института в 1951 году и стал известен как позитроний. [14] 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 расчетов и измерений. [15] 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, включающие более высокие порядки. [4]

Экзотические соединения [ править ]

Молекулярная связь была предсказана для позитрония. [16] Могут быть получены молекулы гидрида позитрония (PsH). [17] Позитроний также может образовывать цианид и может образовывать связи с галогенами или литием. [18]

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 . [19] [20]

Естественное явление [ править ]

Было предсказано, что позитроний в состояниях с высокой энергией будет доминирующей формой атомной материи во Вселенной в далеком будущем, если произойдет распад протона . По прогнозам, естественное образование атомов позитрония начнется примерно через 10 85 лет. [21] Постулируется, что эти атомы намного больше, чем наблюдаемая в настоящее время Вселенная , с расчетным радиусом в 1 квинтиллион парсек (около3,1 × 10 34  м ). [22] Из-за своих огромных размеров природные атомы позитрония будут иметь очень долгое время жизни, оцениваемое в 10 141 год. [21]

См. Также [ править ]

  • Уравнение Брейта
  • Антипротонный гелий
  • Ди-позитроний
  • Квантовая электродинамика
  • Протоний
  • Двухчастичные уравнения Дирака

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Каршенбойм, Савелий Г. (2003). "Прецизионное исследование позитрония: проверка теории КЭД связанного состояния". Международный журнал современной физики A [Частицы и поля; Гравитация; Космология; Ядерная физика . 19 (23): 3879–3896. arXiv : hep-ph / 0310099 . Bibcode : 2004IJMPA..19.3879K . DOI : 10.1142 / S0217751X04020142 . S2CID 14848837 . 
  2. ^ a b Badertscher, A .; Crivelli, P .; Fetscher, W .; Gendotti, U .; Гниненко, С.Н. Постоев, В .; Rubbia, A .; Самойленко, В .; Силлу, Д. (2007). «Улучшенный предел невидимых распадов позитрония». Physical Review D . 75 (3): 032004. arXiv : hep-ex / 0609059 . Bibcode : 2007PhRvD..75c2004B . DOI : 10.1103 / PhysRevD.75.032004 . S2CID 9001914 . 
  3. ^ a b Чарнецкий, Анджей; Каршенбойм, Савелий Г. (2000). «Распад позитрония». Левченко, ББ; Саврин В.И. (ред.). Материалы международного семинара по физике высоких энергий и квантовой теории поля (QFTHEP) . 14 . С. 538–544. arXiv : hep-ph / 9911410 . Bibcode : 1999hep.ph ... 11410C .
  4. ^ a b Kataoka, Y .; Asai, S .; Кобаяши, т. (2009). «Первый тест O (α 2 ) коррекции скорости распада ортопозитрония» (PDF) . Физика Письма Б . 671 (2): 219–223. arXiv : 0809.1594 . Bibcode : 2009PhLB..671..219K . DOI : 10.1016 / j.physletb.2008.12.008 .
  5. ^ Адкинс, GS; Упал, РН; Сапирштейн, Дж. (29 мая 2000 г.). «Порядок α 2 поправок к скорости распада ортопозитрония». Письма с физическим обзором . 84 (22): 5086–5089. arXiv : hep-ph / 0003028 . Bibcode : 2000PhRvL..84.5086A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.84.5086 . PMID 10990873 . S2CID 1165868 .  
  6. ^ Кук, DA; Crivelli, P .; Alnis, J .; Antognini, A .; Браун, В .; Friedreich, S .; Gabard, A .; Haensch, TW; Кирх, К .; Rubbia, A .; Вранкович, В. (2015). «Наблюдение аннигиляции позитрония в состоянии 2S: к новому измерению частоты перехода 1S-2S». Сверхтонкое взаимодействие . 233 (1–3): 67–73. arXiv : 1503.05755 . Bibcode : 2015HyInt.233 ... 67C . DOI : 10.1007 / s10751-015-1158-4 . S2CID 89605682 . 
  7. ^ Руббиа, A. (2004). «Позитроний как зонд для новой физики, выходящей за рамки стандартной модели». Международный журнал современной физики A [Частицы и поля; Гравитация; Космология; Ядерная физика . 19 (23): 3961–3985. arXiv : hep-ph / 0402151 . Bibcode : 2004IJMPA..19.3961R . CiteSeerX 10.1.1.346.5173 . DOI : 10.1142 / S0217751X0402021X . S2CID 119442567 .  
  8. ^ Веттер, Пенсильвания; Фридман, SJ (2002). «Измерение ветвления многофотонных распадов позитрония» . Physical Review . 66 (5): 052505. Bibcode : 2002PhRvA..66e2505V . DOI : 10.1103 / PhysRevA.66.052505 .
  9. ^ a b Скотт, ТК; Shertzer, J .; Мур, РА (1992). «Точные конечно-элементные решения уравнения Дирака для двух тел». Physical Review . 45 (7): 4393–4398. Bibcode : 1992PhRvA..45.4393S . DOI : 10.1103 / PhysRevA.45.4393 . PMID 9907514 . 
  10. ^ Паттерсон, Крис В. (2019). «Аномальные состояния позитрония». Physical Review . 100 (6): 062128. arXiv : 2004.06108 . Bibcode : 2019PhRvA.100f2128P . DOI : 10.1103 / PhysRevA.100.062128 . S2CID 214017953 . 
  11. ^ Харпен, Майкл Д. (2003). «Позитроний: обзор симметрии, сохраняющихся величин и распада для физика-радиолога». Медицинская физика . 31 (1): 57–61. DOI : 10.1118 / 1.1630494 . ISSN 0094-2405 . 
  12. ^ Москаль П., Киселевска Д., Курчану С., Червиньски Е., Дульски К., Гайош А. и другие. (2019). «Технико-экономическое обоснование позитрониевого изображения с помощью томографа J-PET» . Phys Med Biol . 64 (5): 055017. DOI : 10,1088 / 1361-6560 / aafe20 . PMID 30641509 . CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  13. ^ Мохорович, С. (1934). "Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik". Astronomische Nachrichten . 253 (4): 93–108. Bibcode : 1934AN .... 253 ... 93M . DOI : 10.1002 / asna.19342530402 .
  14. ^ a b «Мартин Дойч, физик из Массачусетского технологического института, открывший позитроний, умирает в возрасте 85 лет» (пресс-релиз). Массачусетский технологический институт. 2002 г.
  15. ^ Dume, Belle (23 мая 2003). «Позитрониевая головоломка решена» . Мир физики .
  16. ^ Usukura, J .; Варга, К .; Судзуки Ю. (1998). «Подпись существования молекулы позитрония». Physical Review . 58 (3): 1918–1931. arXiv : физика / 9804023 . Bibcode : 1998PhRvA..58.1918U . DOI : 10.1103 / PhysRevA.58.1918 . S2CID 11941483 . 
  17. ^ " " Из этого мира "Наблюдаемое химическое соединение" (PDF) . п. 9. Архивировано из оригинального (PDF) 12.10.2009.
  18. ^ Сайто, Широ Л. (2000). «Атом или молекула гидрида позитрония?». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях В . 171 (1–2): 60–66. Bibcode : 2000NIMPB.171 ... 60С . DOI : 10.1016 / s0168-583x (00) 00005-7 .
  19. ^ Кэссиди, DB; Миллс, AP (младший) (2007). «Производство молекулярного позитрония». Природа . 449 (7159): 195–197. Bibcode : 2007Natur.449..195C . DOI : 10,1038 / природа06094 . PMID 17851519 . S2CID 11269624 . Выложите резюме .  
  20. ^ «Молекулы позитрония наблюдаются в лаборатории впервые» . Physorg.com . Проверено 7 сентября 2007 .
  21. ^ а б Адамс, ФК; Лафлин, Г. (1997). «Умирающая Вселенная: долгосрочная судьба и эволюция астрофизических объектов». Обзоры современной физики . 69 (2): 337–372. arXiv : astro-ph / 9701131 . Bibcode : 1997RvMP ... 69..337A . DOI : 10.1103 / RevModPhys.69.337 . S2CID 12173790 . 
  22. ^ Пейдж, Дон Н .; Макки, М. Рэндалл (1981). «Аннигиляция материи в поздней Вселенной». Physical Review D . 24 (6): 1458–1469. Bibcode : 1981PhRvD..24.1458P . DOI : 10.1103 / PhysRevD.24.1458 .

Внешние ссылки [ править ]

  • В поисках позитрония
  • Некролог Мартина Дойча, первооткрывателя позитрония
  • Сайт о позитронах, позитронии и антиводороде. Позитронная лаборатория, Комо, Италия