Positronium

Positronium (Ps) er et kvasi-stabilt system som består av et elektron og dets antipartikkel , positronet , koblet sammen for å danne et eksotisk atom . Banen til både partikler og energinivåene ligner på hydrogenatomet (dannet av et proton og et elektron). Men på grunn av den forskjellig reduserte massen til systemet, er frekvensene knyttet til spektrallinjene mindre enn halvparten av hydrogen.

Detaljer

Positronium er ustabilt, med en halveringstid på ca. 10 -7 sekunder (100 nanosekunder). Positron -elektron-utslettelse i et isolert positroniumatom gir vanligvis opphav til to eller tre gammafotoner, avhengig av spinnet til positroniumatomet, med en total energi på 1022 k eV . Hvis positronium henfaller i nærvær av en annen partikkel, for eksempel et elektron, som får en del av det relativistiske momentumet, er forfall til et enkelt gammafoton mulig. Eksperimentelt har opptil 5 fotoner blitt observert, noe som bekrefter spådommene om kvanteelektrodynamikk opp til en veldig høy orden.

Positronium, som hydrogen, kan ha forskjellige konfigurasjoner: bakkenivået kan være en singletttilstand med antiparallelle spinn (S = 0, M S = 0), parapositronium , med et symbol 1 S 0 . Denne tilstanden kan eksistere i opptil 10 -10 sekunder, med en halveringstid på 125 pikosekunder. Den andre mulige konfigurasjonen, tripletttilstanden , med parallelle spinn (S = 1 og M S = −1, 0, 1) er kjent som ortopositronium ( 3 S 1 ), og kan eksistere i opptil 10 -7 s, med en halveringstid 140 nanosekunder.

Energinivåer

Likhetene mellom positronium og hydrogenatomet strekker seg også til ligningen som grovt sett indikerer energinivåene. Energinivåene til begge systemene er forskjellige på grunn av forskjellene i m * (redusert masse), brukt i energiligningen:

E_{n}={\frac {-m^{*}q_{e}^{4}}{8h^{2}\epsilon{0}^{2}}}{\frac {1 } {n^{2}}}\,

q_{e}

er den elementære ladningen til elektronet (det samme som positronet).

h

er Plancks konstant .

\epsilon{0}

er permittiviteten til vakuum .

m^{*}

er den reduserte massen .

Den reduserte massen i dette tilfellet er gitt av:

m^{*}={{m_{e}m_{p}} \over {m_{e}+m_{p}}}={\frac {m_{e}^{2}}{2m_ {e}}}={\frac {m_{e}}{2}}

hvor

Jeg

og er henholdsvis massene til elektronet og positronet, nøyaktig det samme.

m_{p}

For positronium skiller den reduserte massen seg bare fra resten av elektronet med en faktor 2. Dette er grunnen til at energinivåene for positronium er omtrent halvparten av hydrogen.

Dermed er energinivåene til positronium gitt av:

E_{n}={\frac {1}{2}}{\frac {-m_{e}q_{e}^{4}}{8h^{2}\epsilon 0}^{ 2} }}{\frac {1}{n^{2}}}={\frac {-6.8\ \mathrm {eV} }{n^{2}}}\,

Det nedre energinivået for positronium ( n = 1) er −6,8 eV. Neste energinivå ( n = 2) er −1,7 eV. Positronium kan også betraktes av en bestemt form av Dirac-ligningen: at de er to-legemer; der topunktspartikler som interagerer med en Coulomb kan separeres nøyaktig og "relativt" i sentrum av momentum og også i energien som er et resultat av grunntilstanden deres, som er nøyaktig oppnådd ved bruk av endelige elementmetodene til J. Shetzer . [ 1 ] [ 2 ] Dirac-ligningen, som består av Hamilton-konseptene, inneholder to Dirac-partikler og et statisk Coulomb-potensial som ikke alltid er relativistisk. Men hvis man legger til: $1 / c2n _ _$ eller $α 2 n$ , hvor $α$ er en endelig og konstant struktur og leddene hvor $n = 1,2...$ så er resultatet alltid relativistisk. Kun første termin er inkludert. $α 2$ er bidraget til Breit-begrepet. Jobber eller (arbeidere) går sjelden til $α 4$ fordi man ved $α 3$ har Lamb shift, som krever kvanteelektrodynamikk . [ 1 ]

Historikk

I 1934 forutså den kroatiske forskeren Stjepan Mohorovičić eksistensen av positronium i en artikkel publisert i Astronomische Nachrichten , der han kalte stoffet " electrum ", [ 3 ] selv om andre kilder indikerer at Carl Anderson allerede hadde spådd dets eksistens i 1932. [ 4 ]

Den ble oppdaget eksperimentelt i 1951 av Martin Deutsch fra MIT .

I 2005 antok Allen Mills og David Cassidy fra University of California , Riverside, at positroniummolekyler kunne dannes på overflaten av silisium.

Den 12. september 2007 rapporterte Allen Mills og David Cassidy fra University of California (Riverside) at de ved å bruke en silisiumfilm har klart å fange nok positroner til å samtidig lage et stort antall positroniumatomer for å kombinere og danne dipositronium. , eller molekyler. av to positronier. Cassidy og Mills indikerer at det er mulig å kombinere millioner av positroniumatomer for å lage et Bose-Einstein-kondensat som, når det desintegrerer, danner en høyenergi gammastråleutslettelseslaser, omtrent en million ganger høyere enn dagens lasere.

Eksotiske forbindelser

Den positroniummolekylære bindingen ble forutsagt. Positroniumhydrid ( PsH ) molekyler er mulige. Positronium kan også danne et cyanid , og kan danne bindinger med halogener ( halogenider ) eller litium .

Den første observasjonen av di-positronium -molekyler – molekyler som består av to positronium-atomer – ble rapportert 12. september 2007 av David Cassidy og Allen Mills fra University of California, Riverside.

Se også

Referanser

↑ a b Scott, TC; Shertzer, J.; Moore, R.A. (1992). "Nøyaktige endelige elementløsninger av Dirac-ligningen med to kropper". Physical Review A 45 (7): 4393-4398. Bibcode : 1992PhRvA..45.4393S . PMID 9907514 . doi : 10.1103/PhysRevA.45.4393 .
↑ Patterson, Chris W. (2019). "Anomale tilstander av positronium" . Physical Review A 100 (6): 062128. doi : 10.1103/PhysRevA.100.062128 .
↑ Magazine Astronomische Nachrichten , 1934, vol. 253, s. 94.
^ "Martin Deutsch, MIT-fysiker som oppdaget positronium, dør ved 85" .

Eksterne lenker

Kommunikasjon fra University of California som rapporterer dannelsen av dipositroniummolekyler