Pozyton

Ten artykuł dotyczy egzotycznego atomu. Dla izotopu wodoru, zobacz Izotopy wodoru § Wodór-1 (protium) .

Elektron i pozyton krążące wokół wspólnego środka masy . Stan s ma zerowy moment pędu, więc orbitowanie wokół siebie oznaczałoby poruszanie się prosto na siebie, aż para cząstek zostanie rozproszona lub unicestwiona, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej. Jest to związany stan kwantowy znany jako pozyton .

Pozyton ( Ps ) to układ składający się z elektronu i jego antycząstki , pozytonu , połączonych razem w egzotyczny atom , w szczególności onium . W przeciwieństwie do wodoru, układ nie zawiera protonów . Układ jest niestabilny: dwie cząstki anihilują się nawzajem, wytwarzając głównie dwa lub trzy promienie gamma , w zależności od względnych stanów spinowych. Poziomy energii obu cząstek są podobne do poziomu energii atomu wodoru (który jest stanem związanym protonu i elektronu). Jednakże ze względu na zmniejszoną masę częstotliwości linii widmowych są o ponad połowę mniejsze w porównaniu z odpowiadającymi im liniami wodoru.

Stany

Masa pozytonu wynosi 1,022 MeV, co stanowi dwukrotność masy elektronu minus energia wiązania wynosząca kilka eV. Stan orbitalny pozytonu o najniższej energii to 1S i podobnie jak wodór ma on strukturę nadsubtelną wynikającą ze względnej orientacji spinów elektronu i pozytonu.

Stan singletowy s ¹
S
₀ z antyrównoległymi spinami ( S = 0, M _para = 0) jest znany jako - pozyt ( p -Ps). Ma średni czas życia 0,12 ns i rozpada się preferencyjnie na dwa promienie gamma o energii 511 keV każdy (w układzie środka masy ). ust -pozyt może rozpaść się na dowolną parzystą liczbę fotonów (2, 4, 6, ...), ale prawdopodobieństwo szybko maleje wraz z liczbą: współczynnik rozgałęzienia rozpadu na 4 fotony wynosi 1,439 (2) × 10 ^-6 .

parapozytonu w próżni wynosi w przybliżeniu

$${\ Displaystyle t_ {0} = {\ Frac {2 \ hbar} {m _ {\ operatorname {e}} c ^ {2} \ alfa ^ {5}}} = 0,1244 ~ \ operatorname {ns}.}$$

Stany trypletowe orto , ³ S ₁ , z równoległymi spinami ( S = 1, M _s = −1, 0, 1) są znane jako - pozyt ( o -Ps) i mają energię o około 0,001 eV wyższą niż stan trypletowy podkoszulek. Stany te mają średni czas życia 142,05 ± 0,02 ns , a wiodącym rozpadem są trzy gammy. Inne sposoby rozpadu są nieistotne; na przykład tryb pięciofotonowy ma współczynnik rozgałęzień ≈ 10 ^-6 .

orto -pozytu w próżni można obliczyć w przybliżeniu jako:

$${\ Displaystyle t_ {1} = {\ Frac {{\ Frac {1} {2}} 9h} {2m _ {\ operatorname {e}} c ^ {2} \ alfa ^ {6} (\ pi ^ {2 }-9)}}=138,6~\mathrm {ns} .}$$

Jednakże dokładniejsze obliczenia z poprawkami na O (α2 ⁾ dają wartość 7,040 μs ^-1 dla szybkości zaniku, co odpowiada czasowi życia 142 ns .

Pozyton w stanie 2S jest metastabilny i ma czas życia 1100 ns przed anihilacją . Pozyton powstały w tak wzbudzonym stanie szybko spadnie kaskadą do stanu podstawowego, gdzie szybciej nastąpi anihilacja.

Pomiary

Pomiary tych czasów życia i poziomów energii wykorzystano w precyzyjnych testach elektrodynamiki kwantowej , potwierdzając z dużą precyzją przewidywania elektrodynamiki kwantowej (QED).

Anihilacja może przebiegać wieloma kanałami, z których każdy wytwarza promienie gamma o całkowitej energii 1022 keV (suma energii masy elektronu i pozytonów), zwykle 2 lub 3, z maksymalnie 5 fotonami promieniowania gamma zarejestrowanymi z pojedynczej anihilacji.

Anihilacja w parę neutrino – antyneutrino jest również możliwa, ale prawdopodobieństwo jest znikome. Współczynnik rozgałęzienia o -Ps dla tego kanału wynosi 6,2 × 10-18 ⁾ ( para neutrino elektronowe – antyneutrino) i 9,5 × 10-21 (dla innego smaku ^nie w przewidywaniach opartych na Modelu Standardowym, ale może zostać zwiększony przez -standardowe właściwości neutrin, takie jak stosunkowo wysoki moment magnetyczny . Eksperymentalne górne granice współczynnika rozgałęzień dla tego rozpadu (jak również rozpadu na dowolne „niewidzialne” cząstki) wynoszą < 4,3 × 10 ^-7 dla p -Ps i < 4,2 × 10 ^-7 dla o -Ps.

Poziomy energii

Główny artykuł: model Bohra § Poziomy energii elektronów

Chociaż dokładne obliczenie poziomów energii pozytonu wykorzystuje równanie Bethe-Salpetera lub równanie Breita , podobieństwo między pozytonem i wodorem pozwala na przybliżone oszacowanie. W tym przybliżeniu poziomy energii są różne ze względu na inną masę efektywną, m *, w równaniu energii ( wyprowadzenie można znaleźć w poziomach energii elektronów ):

$${\ Displaystyle E_ {n} = - {\ Frac {\ mu q _ {\ operatorname {e}} ^ {4}} {8h ^ {2 }\varepsilon _{0}^{2}}}{\frac {1}{n^{2}}},}$$

Gdzie:

• q _e jest wielkością ładunku elektronu (taką samą jak pozytonu),
• h jest stałą Plancka ,
• ε ₀ jest stałą elektryczną (znaną również jako przenikalność elektryczna wolnej przestrzeni),
• μ jest masą zredukowaną :
  $${\ Displaystyle \ mu = {\ Frac {m _ {\ operatorname {e}} m _ {\ operatorname {p}}} {m_{\mathrm {e} }+m_{\mathrm {p} }}}={\frac {m_{\mathrm {e} }^{2}}{2m_{\mathrm {e} }}}= {\frac {m_{\mathrm {e}}}},}$$
  gdzie m _e i m _p są odpowiednio masami elektronu i pozytonu (które z definicji są tym samym co antycząstki).

Zatem w przypadku pozytu jego zredukowana masa różni się od elektronu jedynie dwukrotnie. To powoduje, że poziomy energii również są w przybliżeniu o połowę mniejsze niż w przypadku atomu wodoru.

Ostatecznie poziomy energetyczne pozytu są podane przez

$${\ Displaystyle E_ {n} = - {\ Frac {1} {2}} {\ Frac {m _ {\ operatorname {e}} q _ {\ operatorname {e}} ^ {4}} {8h ^ {2} \varepsilon _{0}^{2}}}{\frac {1}{n^{2}}}={\frac {-6,8~\mathrm {eV} }{n^{2}}}.}$$

Najniższy poziom energii pozytu ( n = 1 ) wynosi -6,8 eV . Następny poziom to −1,7 eV . Znak ujemny to konwencja, która implikuje stan związany . Pozyton można również uwzględnić w szczególnej postaci równania Diraca dwóch ciał ; Dwie cząstki z oddziaływaniem kulombowskim można dokładnie rozdzielić w (relatywistycznym) układzie środka pędu, a powstałą energię stanu podstawowego uzyskano bardzo dokładnie, stosując metody elementów skończonych Janine Shertzer i potwierdzono niedawno. Równanie Diraca, którego hamiltonian składa się z dwóch cząstek Diraca i statycznego potencjału Coulomba, nie jest relatywistycznie niezmiennicze. Ale jeśli dodać wyrazy 1 / c ^{2 n} (lub α ^{2 n} , gdzie α jest stałą struktury drobnej ), gdzie n = 1,2... , wówczas wynik jest relatywistycznie niezmienniczy. Uwzględniono tylko termin wiodący. Udział α2 ^; jest terminem Breita pracownicy rzadko chodzą do α ⁴ ponieważ przy α ³ mamy do czynienia z przesunięciem Lamba, co wymaga elektrodynamiki kwantowej.

Powstawanie i rozkład materiałów

Gdy radioaktywny atom w materiale ulegnie rozpadowi β + ⁽ emisji pozytonów), powstały pozyton o wysokiej energii zwalnia w wyniku zderzenia z atomami i ostatecznie anihiluje z jednym z wielu elektronów w materiale. Może jednak najpierw utworzyć pozyton przed zdarzeniem anihilacyjnym. Zrozumienie tego procesu ma pewne znaczenie w pozytonowej tomografii emisyjnej . Około:

• ~60% pozytonów ulegnie bezpośredniej anihilacji z elektronem, bez tworzenia pozytonu. Anihilacja zwykle skutkuje dwoma promieniami gamma. W większości przypadków ta bezpośrednia anihilacja następuje dopiero po utracie przez pozyton nadmiaru energii kinetycznej i termizacji z materiałem.
• ~10% pozytonów tworzy para -pozyton, który następnie szybko (w ~0,12 ns) rozpada się, zwykle na dwa promienie gamma.
• Około 30% pozytonów tworzy orto -pozyton, ale następnie anihiluje w ciągu kilku nanosekund, „odbierając” inny pobliski elektron o przeciwnym spinie. Zwykle wytwarza to dwa promienie gamma. W tym czasie bardzo lekki atom pozytonu wykazuje silny ruch w punkcie zerowym, który wywiera ciśnienie i jest w stanie wypchnąć z ośrodka maleńki pęcherzyk wielkości nanometra.
• Tylko ~0,5% pozytonów tworzy orto -pozyton, który ulega samorozpadowi (zwykle na trzy promienie gamma). Ta naturalna szybkość rozpadu orto -pozytu jest stosunkowo powolna (czas trwania rozpadu ~ 140 ns) w porównaniu z wyżej wymienionym procesem pick-off, dlatego rozpad trzech gamma rzadko występuje.

Historia

The Positronium Beam na University College London , laboratorium używanym do badania właściwości pozytonu.

Stjepan Mohorovičić przewidział istnienie pozytu w artykule z 1934 roku opublikowanym w Astronomische Nachrichten , w którym nazwał go „elektrum”. Inne źródła błędnie uznają, Carl Anderson przewidział jego istnienie w 1932 roku podczas pobytu w Caltech . Została odkryta eksperymentalnie przez Martina Deutscha w MIT w 1951 roku i stał się znany jako pozyton. W wielu kolejnych eksperymentach dokładnie zmierzono jego właściwości i zweryfikowano przewidywania elektrodynamiki kwantowej. Wystąpiła rozbieżność zwana zagadką czasu życia orto-pozytu, która utrzymywała się przez pewien czas, ale ostatecznie została rozwiązana dzięki dalszym obliczeniom i pomiarom. Pomiary były błędne ze względu na pomiar czasu życia nietermizowanego pozytu, który był wytwarzany jedynie w niewielkiej ilości. To spowodowało, że życie było zbyt długie. Również obliczenia z wykorzystaniem relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej są trudne do wykonania, dlatego wykonano je tylko pierwszego rzędu. Następnie obliczono poprawki obejmujące wyższe rzędy w nierelatywistycznej elektrodynamice kwantowej.

Związki egzotyczne

Dla pozytu przewidywano wiązanie molekularne. Można wytworzyć cząsteczki wodorku pozytonium (PsH). Pozyton może również tworzyć cyjanek i tworzyć wiązania z halogenami lub litem.

Pierwszą obserwację cząsteczek dipozytonu ( Ps ₂ ) — cząsteczek składających się z dwóch atomów pozytonu — przekazali 12 września 2007 roku David Cassidy i Allen Mills z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside .

Zjawisko naturalne

Wydarzenia we wczesnym Wszechświecie prowadzące do asymetrii barionów poprzedzają powstanie atomów (w tym odmian egzotycznych, takich jak pozyton) o około jedną trzecią miliona lat, więc nie wystąpiły wtedy żadne atomy pozytonu .

Podobnie, naturalnie występujące obecnie pozytony powstają w wyniku oddziaływań wysokoenergetycznych, takich jak interakcje promieniowania kosmicznego z atmosferą, a zatem są zbyt gorące (energetyczne termicznie), aby utworzyć wiązania elektryczne przed anihilacją .

, że pozyton w bardzo słabo związanych (niezwykle dużych n ) stanach będzie dominującą formą materii atomowej we wszechświecie w dalekiej przyszłości , jeśli nastąpi rozpad protonu . Chociaż wszelkie pozytony i elektrony pozostałe po rozpadzie materii początkowo poruszałyby się zbyt szybko, aby się ze sobą połączyć, ekspansja Wszechświata spowalnia swobodne cząstki do tego stopnia, że ​​ostatecznie (w 10 ⁸⁵ lat, kiedy elektrony i pozytony są zwykle oddalone od siebie o 1 kwintylion parseków), ich energia kinetyczna w rzeczywistości spadnie poniżej potencjału przyciągania Coulomba, a zatem będą słabo związane (pozyton). Powstałe słabo związane elektrony i pozytony spiralnie kierują się do wewnątrz i ostatecznie anihilują, a szacowany czas życia wynosi 10 ¹⁴¹ lat.

Zobacz też

• Równanie Breita
• Hel antyprotonowy
• Dipozyton
• Elektrodynamika kwantowa
• Proton
• Równania Diraca dwóch ciał

Linki zewnętrzne

• Poszukiwanie pozytonu
• Nekrolog Martina Deutscha, odkrywcy pozytonium
• Strona poświęcona pozytonom, pozytonowi i antywodorowi. Laboratorium Pozytonów, Como, Włochy