Позитроний

Позитро́ний — связанная квантовомеханическая система (экзотический атом), состоящая из электрона и позитрона. В зависимости от взаимного направления спинов электрона и позитрона различают ортопозитроний (спины сонаправлены, суммарный спин S = 1) и парапозитроний (спины противоположно направлены, суммарный спин S = 0). Позитроний, как и атом водорода, представляет собой систему двух тел, и его поведение и свойства точно описываются в квантовой механике. Он был впервые экспериментально идентифицирован в 1951 году Мартином Дойчем^[1].

«Наивная» классическая схема строения позитрония. Электрон и позитрон обращаются вокруг их общего центра масс

Свойства

Поскольку приведённая масса позитрония почти вдвое меньше приведённой массы электрона^[2], радиус атома позитрония в основном состоянии 0,106 нм (вдвое больше атома водорода), а его потенциал ионизации из основного состояния равен 6,77 эВ (вдвое меньше потенциала ионизации водорода).

Позитроний быстро аннигилирует, его время жизни зависит от спина: покоящийся парапозитроний в вакууме аннигилирует в среднем за:

t_{0}={\frac {2\hbar }{m_{\mathrm {e} }c^{2}\alpha ^{5}}}=~{\text{0,1244 нс}}

Парапозитроний аннигилирует на два гамма-кванта с энергией по 511 кэВ и противоположными импульсами.

Ортопозитроний живёт на три порядка дольше:

t_{1}={\frac {9h}{4m_{\mathrm {e} }c^{2}\alpha ^{6}(\pi ^{2}-9)}}=~{\text{138,6 нс}}

Ортопозитроний распадается на три гамма-кванта, в силу сохранения зарядовой чётности. В среде время жизни позитрония уменьшается (для ортопозитрония в твёрдом веществе оно становится менее 1 нс), и относительная вероятность аннигиляции в 2 гамма-кванта растёт. Возможна аннигиляция позитрония в большее число гамма-квантов, однако вероятность этого очень мала. В любом случае суммарная энергия аннигиляционных гамма-квантов в системе центра инерции позитрония равна 1022 кэВ (соответствует удвоенной массе электрона).

Масса основного состояния ортопозитрония (терм ³S₁) на 8,4⋅10⁻⁴ эВ больше, чем основного состояния парапозитрония (терм ¹S₀), между этими двумя состояниями возможны переходы. При образовании атома позитрония из неполяризованных частиц ортопозитроний возникает втрое чаще, так как его статистический вес g = 2S + 1 втрое больше, чем у парапозитрония. Хотя время жизни позитрония мало́, он успевает вступить в химические реакции. Химия позитрония достаточно хорошо изучена (как правило, она рассматривается в рамках мезонной химии, хотя электрон и позитрон не относятся к мезонам). Химический символ позитрония — Ps. Химически позитроний близок к водороду, его взаимодействия используются для изучения кинетики химических реакций, диффузии, фазовых переходов и других физико-химических процессов в газах и конденсированных средах.

Позитроний (как и мюоний) является чисто лептонным атомом, поэтому его спектроскопия и прецизионное измерение времени жизни представляют особый интерес для проверки предсказаний квантовой электродинамики. Изучается также отрицательный ион позитрония Ps⁻, состоящий из двух электронов и позитрона.

Молекулярный позитроний

Молекуля́рный позитро́ний, дипозитро́ний, Ps₂ — молекула, состоящая из двух атомов позитрония (то есть связанная система из двух электронов и двух позитронов).

В 1946 Дж. А. Уилер предположил^[3], что два атома позитрония могут объединиться в молекулу с энергией связи около 0,4 эВ (дипозитроний). В 2005 появились сообщения о возможном наблюдении молекулярного позитрония Ps₂, подтверждённые в сентябре 2007^[4]^[5]. Молекулы Ps₂ были обнаружены при облучении тонкой плёнки пористого кварца мощным потоком позитронов.

Литература

Гольданский В. И. Физическая химия позитрона и позитрония. М., 1968.

Ссылки

↑ Martin Deutsch. Evidence for the Formation of Positronium in Gases // Phys. Rev. — 1951. — Т. 82. — С. 455—456.
↑ Л. И. Пономарёв. Позитроний // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Магнитоплазменный — Пойнтинга теорема. — С. 671. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.
↑ J. A. Wheeler. Polyelectrons // Annals of the New York Academy of Sciences. — 1946. — Т. 48, № 3. — С. 219—238.
↑ D. B. Cassidy, A. P. Mills, Jr. The production of molecular positronium // Nature. — 2007. — Т. 449. — С. 195—197 (13 September 2007). Архивировано 23 апреля 2008 года.
↑ Molecules of Positronium Observed in the Laboratory for the First Time Архивная копия от 9 февраля 2008 на Wayback Machine. Press release. September 12, 2007.

См. также

[1] Martin Deutsch. Evidence for the Formation of Positronium in Gases // Phys. Rev. — 1951. — Т. 82. — С. 455—456.

[ФЭ-2] Л. И. Пономарёв. Позитроний // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Магнитоплазменный — Пойнтинга теорема. — С. 671. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.

[3] J. A. Wheeler. Polyelectrons // Annals of the New York Academy of Sciences. — 1946. — Т. 48, № 3. — С. 219—238.

[4] D. B. Cassidy, A. P. Mills, Jr. The production of molecular positronium // Nature. — 2007. — Т. 449. — С. 195—197 (13 September 2007). Архивировано 23 апреля 2008 года.

[5] Molecules of Positronium Observed in the Laboratory for the First Time Архивная копия от 9 февраля 2008 на Wayback Machine. Press release. September 12, 2007.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]