Positroniu

Un electron și un pozitron orbitează în jurul centrului lor de masă , formând sistemul pozitroniului.

Positroniul ( Ps ) este un sistem extrem de instabil format dintr-un electron și antiparticulele sale, pozitronul , ^[1] legat de forța electromagnetică pentru a forma un atom exotic .

Orbitele celor două particule din jurul centrului de masă și nivelurile lor combinate de energie sunt foarte asemănătoare cu cele ale atomului de hidrogen . Cu toate acestea, datorită faptului că masa redusă a sistemului este egală cu jumătate din masa electronului, frecvențele asociate liniilor spectrale sunt jumătate din cele ale hidrogenului corespunzător.

State

Sol în stare de pozitron, ca aceea a hidrogenului, are două configurații posibile care depind de orientările relative ale electronilor și pozitroni rotiri.

Starea singletului de spin antiparalel ( S = 0, M _s = 0) este cunoscută sub numele de para-pozitroniu ( p -Ps) și este notată ca ¹ S ₀ . Are o viață medie de 0,125 ns și se descompune preferențial în două cuante gamma cu energie de 511 keV fiecare (în centrul masei ). Detectarea acestor fotoni permite reconstrucția vârfului decăderii și este utilizată în tomografia cu emisie de pozitroni . Para-pozitroniul se poate descompune în orice număr par de fotoni (2, 4, 6, ...), dar probabilitatea scade rapid pe măsură ce numărul crește: raportul de ramificare pentru descompunerea în 4 fotoni este 1,439 (2) × 10 ^{- 6} . ^[2]

Durata medie de viață a para-pozitroniului (S = 0) este de o zecime din nanosecundă : ^[2]

t_{0}={\frac {2\hbar }{m_{e}c^{2}\alpha ^{5}}}=0{,}1244\;{\text{ns}}

{\ displaystyle t_ {0} = {\ frac {2 \ hbar} {m_ {e} c ^ {2} \ alpha ^ {5}}} = 0 {,} 1244 \; {\ text {ns}}}

{\ displaystyle t_ {0} = {\ frac {2 \ hbar} {m_ {e} c ^ {2} \ alpha ^ {5}}} = 0 {,} 1244 \; {\ text {ns}}}

Starea tripletului cu rotiri paralele ( S = 1, M _s = -1, 0, 1) este cunoscută sub numele de orto-pozitroniu ( sau -Ps) și denumită ³ S ₁ . Starea tripletului în vid are o durată de viață de 142,05 ± 0,02 ns ^[3], iar modul primar de descompunere este de trei cuante gamma. Alte moduri de degradare sunt neglijabile; de exemplu, modul cu cinci fotoni are un raport de ramificare de ~ 1,0 × 10 ⁻⁶ . ^[4]

Viața medie a orto-pozitroniului (S = 1): ^[2]

t_{1}={\frac {{\frac {1}{2}}9h}{2m_{e}c^{2}\alpha ^{6}(\pi ^{2}-9)}}=138{,}6\;{\text{ns}}

{\ displaystyle t_ {1} = {\ frac {{\ frac {1} {2}} 9h} {2m_ {e} c ^ {2} \ alpha ^ {6} (\ pi ^ {2} -9) }} = 138 {,} 6 \; {\ text {ns}}}

{\ displaystyle t_ {1} = {\ frac {{\ frac {1} {2}} 9h} {2m_ {e} c ^ {2} \ alpha ^ {6} (\ pi ^ {2} -9) }} = 138 {,} 6 \; {\ text {ns}}}

Positroniul în starea 2S este metastabil având o durată de viață de 1,1 μs înainte de anihilare . ^{[ citație necesară ]} Dacă pozitroniul este creat într-o stare atât de excitată, acesta va cădea rapid în starea fundamentală, unde va avea loc brusc anihilarea . Măsurătorile acestor durate de viață, precum și nivelurile de energie ale pozitroniului, au fost utilizate în testele de precizie în electrodinamica cuantică . ^[2] ^[5]

Anihilarea poate continua printr-un număr de canale, fiecare dintre care produce una sau mai multe raze gamma , produse cu o energie totală de 1022 keV (deoarece fiecare dintre particulele anihilatoare are o masă de 511 keV / c ² ); cele mai probabile canale de anihilare produc doi sau trei fotoni, în funcție de configurația relativă de spin a electronului și a pozitronului. Decăderea unui singur foton este posibilă numai dacă un alt corp (de exemplu, un electron ) se află în vecinătatea pozitroniului anihilator în care poate fi transferată o parte a energiei din evenimentul de anihilare. Au fost observate până la cinci raze gamma de anihilare în experimente de laborator, ^[6] confirmând predicțiile electrodinamicii cuantice la o ordine foarte mare.

Anihilarea într-o pereche de neutrino- antineutrino este de asemenea posibilă, dar probabilitatea prezisă este neglijabilă. Raportul de ramificare pentru decăderea o -P pentru acest canal este 6,2 × 10 ⁻¹⁸ (pereche de electroni neutrino-antineutrino) e 9,5 × 10 ⁻²¹ (pentru fiecare aromă non-electronică) ^[4] în predicții bazate pe modelul standard , dar pot fi crescute prin proprietăți de neutrino non-standard , cum ar fi masa sau momentul magnetic relativ ridicat. Limitele experimentale superioare privind raportul de ramificare pentru această descompunere sunt: < 1,7 × 10 ⁻² ( p -Ps) și < 2,8 × 10 ⁻⁶ ( sau -Ps). ^[7]

Nivelurile de energie

Același subiect în detaliu: modelul atomic al lui Bohr .

În timp ce calculul precis al nivelurilor de energie ale pozitronului utilizează ecuația Bethe-Salpeter , similaritatea dintre pozitron și hidrogen permite o estimare aproximativă, în care nivelurile de energie sunt diferite între cele două datorită valorii de masă diferite, m *, utilizată în ecuația energiei

E_{n}=-{\frac {\mu q_{e}^{4}}{8h^{2}\varepsilon _{0}^{2}}}{\frac {1}{n^{2}}}\,.

{\ displaystyle E_ {n} = - {\ frac {\ mu q_ {e} ^ {4}} {8h ^ {2} \ varepsilon _ {0} ^ {2}}} {\ frac {1} {n ^ {2}}} \,.}

E_ {n} = - {\ frac {\ mu q_ {e} ^ {4}} {8h ^ {2} \ varepsilon _ {{0}} ^ {2}}} {\ frac {1} {n ^ {2}}} \ ,.

A se vedea modelul Bohr pentru o derivare.

q_{e}

{\ displaystyle q_ {e}}

q_ {e}

este magnitudinea sarcinii electronului (cum ar fi pozitronul)

h

{\ displaystyle h}

h

este constanta lui Planck

\varepsilon _{0}

{\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}

\ varepsilon _ {{0}}

este constanta electrică (cunoscută și sub denumirea de permitivitatea spațiului liber) și în cele din urmă

\mu

{\ displaystyle \ mu}

\ mu

este masa redusă

Masa redusă în acest caz este

\mu ={{m_{e}m_{p}} \over {m_{e}+m_{p}}}={\frac {m_{e}^{2}}{2m_{e}}}={\frac {m_{e}}{2}},

{\ displaystyle \ mu = {{m_ {e} m_ {p}} \ over {m_ {e} + m_ {p}}} = {\ frac {m_ {e} ^ {2}} {2m_ {e} }} = {\ frac {m_ {e}} {2}},}

\ mu = {{m_ {e} m_ {p}} \ over {m_ {e} + m_ {p}}} = {\ frac {m_ {e} ^ {2}} {2m_ {e}}} = {\ frac {m_ {e}} {2}},

unde este

m_{e}

{\ displaystyle m_ {e}}

eu insumi}

Și

m_{p}

{\ displaystyle m_ {p}}

m_ {p}

acestea sunt, respectiv, masa electronului și a pozitronului - care sunt aceleași conform definiției particulelor și antiparticulelor.

Astfel, pentru pozitroniu, masa sa redusă diferă doar de masa de repaus a electronului cu un factor 2. Acest lucru determină, de asemenea, nivelurile de energie să fie aproximativ jumătate din atomul de hidrogen.

Deci, în cele din urmă, nivelurile de energie ale pozitroniului sunt date de

E_{n}=-{\frac {1}{2}}{\frac {m_{e}q_{e}^{4}}{8h^{2}\varepsilon _{0}^{2}}}{\frac {1}{n^{2}}}={\frac {-6{,}8\ \mathrm {eV} }{n^{2}}}\,.

{\ displaystyle E_ {n} = - {\ frac {1} {2}} {\ frac {m_ {e} q_ {e} ^ {4}} {8h ^ {2} \ varepsilon _ {0} ^ { 2}}} {\ frac {1} {n ^ {2}}} = {\ frac {-6 {,} 8 \ \ mathrm {eV}} {n ^ {2}}} \,.}

E_n = - \ frac {1} {2} \ frac {m_e q_e ^ 4} {8 h ^ 2 \ varepsilon_ {0} ^ 2} \ frac {1} {n ^ 2} = \ frac {-6 {, } 8 \ \ mathrm {eV}} {n ^ 2} \,.

Nivelul de energie mai scăzut al pozitroniului ( n = 1) este −6,8 eV . Următorul nivel energetic cel mai înalt ( n = 2) este -1,7 eV. Semnul negativ implică o stare legată. Observăm, de asemenea, că ecuația Dirac a celor două corpuri compuse de un operator Dirac pentru fiecare dintre cele două particule puncte care interacționează prin interacțiunea Coulomb poate fi separată exact în structura momentului de centru (relativist) și valoarea proprie a stării fundamentale pe care rezultatele au fost obținute cu mare precizie folosind metodele elementelor finite ale lui J. Shertzer. ^[8]

Observarea moleculelor de pozitroniu

Prima observare a moleculelor de dipositroniu - formată din doi atomi de pozitroniu - a fost raportată la 12 septembrie 2007 de David Cassidy și Allen Mills de la Universitatea din California la Riverside . ^[9] ^[10]

Predicție și descoperire

Savantul croat Stjepan Mohorovičić a prezis existența pozitroniului într-un raport din 1934 publicat de Astronomische Nachrichten , unde a numit substanța „electro”. ^[11] Alte surse îl recunosc pe Carl Anderson pentru prezicerea existenței sale în 1932 în urma descoperirii pozitronului care i-a adus premiul Nobel . Positroniu a fost descoperit experimental de Martin Deutsch la MIT în 1951, a devenit cunoscut sub numele de pozitroniu. ^[12]

Notă

^ (EN) pozitroniu .
^ ^a ^b ^c ^d ( EN ) Savely G. Karshenboim, Studiu de precizie a pozitronului: testarea teoriei QED a statului legat , 2003, DOI : 10.1142 / S0217751X04020142 .
^ (EN) A. Badertscher, P. Crivelli; W. Fetscher; U. Gendotti; SN Gninenko; V. Postoev; A. Rubbia; V. Samoylenko și D. Sillou, O limită îmbunătățită asupra decăderilor invizibile ale pozitronului , înPhysical Review D , vol. 75, nr. 3, 2007, p. 032004, DOI : 10.1103 / PhysRevD.75.032004 , 0609059. Accesat la 3 mai 2010 .
^ ^a ^b ( EN ) Andrzej Czarnecki, Savely G. Karshenboim, Decays of Positronium , pe arxiv.org , 1999. Accesat la 3 mai 2010 .
^ (EN) A. Rubbia, pozitroniu ca sondă pentru fizică nouă dincolo de modelul standard , în Int.J.Mod.Phys. A19 (2004) 3961-3985 , 2004, DOI : 10.1142 / S0217751X0402021X . Adus pe 3 mai 2010 .
^ (EN) PA Vetter, SJ Freedman, măsurarea raportului de ramificare a descompunerilor multiphotonice ale pozitroniului , în Physical Review A , vol. 66, 2002, p. 052505, DOI : 10.1103 / PhysRevA.66.052505 . Adus pe 3 mai 2010 .
^ (EN) T. Mitsui, R. Fujimoto; Y. Ishisaki; Y. Ueda; Y. Yamazaki; S. Asai; S. Orito, Căutare de descompunere invizibilă a ortopozitronului , în Physical Review Letters , vol. 70, nr. 15, 1993, p. 2265, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.70.2265 . Adus pe 3 mai 2010 .
^ (EN) TC Scott, J. Shertzer și RA Moore, Soluții precise de element finit ale ecuației Dirac cu doi corpuri , în Physical Review A , vol. 45, n. 7, 1992, p. 4393, Bibcode : 1992PhRvA..45.4393S , DOI : 10.1103 / PhysRevA.45.4393 . Adus pe 3 mai 2010 .
^ (EN) DB Cassidy, AP Mills (Jr.), The production of molecular positronium , în Nature , vol. 449, 2007, pp. 195–197, DOI : 10.1038 / nature06094 . Adus pe 3 mai 2010 .
^ (EN) Molecule de pozitroniu Observate în laborator pentru prima dată , pe physorg.com. Adus 07-09-2007 .
^ ( DE ) S. Mohorovičić, Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik , în Astronomische Nachrichten , vol. 253, 1934, p. 94, DOI : 10.1002 / asna.19342530402 .
^ (EN) Martin Deutsch, fizician MIT care a descoperit pozitroniul, moare la 85 de ani , de pe web.mit.edu, MIT, 2002.

Elemente conexe

linkuri externe

( RO ) Căutarea Positronium , pe universetoday.com .
( EN ) Necrologul lui Martin Deutsch, descoperitor al Positronium , pe web.mit.edu .

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85105391 · GND (DE) 4175443-8

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[1] (EN) pozitroniu .

[hep-ph0310099-2] ( EN ) Savely G. Karshenboim, Studiu de precizie a pozitronului: testarea teoriei QED a statului legat , 2003, DOI : 10.1142 / S0217751X04020142 .

[3] (EN) A. Badertscher, P. Crivelli; W. Fetscher; U. Gendotti; SN Gninenko; V. Postoev; A. Rubbia; V. Samoylenko și D. Sillou, O limită îmbunătățită asupra decăderilor invizibile ale pozitronului , înPhysical Review D , vol. 75, nr. 3, 2007, p. 032004, DOI : 10.1103 / PhysRevD.75.032004 , 0609059. Accesat la 3 mai 2010 .

[hep-ph9911410-4] ( EN ) Andrzej Czarnecki, Savely G. Karshenboim, Decays of Positronium , pe arxiv.org , 1999. Accesat la 3 mai 2010 .

[5] (EN) A. Rubbia, pozitroniu ca sondă pentru fizică nouă dincolo de modelul standard , în Int.J.Mod.Phys. A19 (2004) 3961-3985 , 2004, DOI : 10.1142 / S0217751X0402021X . Adus pe 3 mai 2010 .

[6] (EN) PA Vetter, SJ Freedman, măsurarea raportului de ramificare a descompunerilor multiphotonice ale pozitroniului , în Physical Review A , vol. 66, 2002, p. 052505, DOI : 10.1103 / PhysRevA.66.052505 . Adus pe 3 mai 2010 .

[7] (EN) T. Mitsui, R. Fujimoto; Y. Ishisaki; Y. Ueda; Y. Yamazaki; S. Asai; S. Orito, Căutare de descompunere invizibilă a ortopozitronului , în Physical Review Letters , vol. 70, nr. 15, 1993, p. 2265, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.70.2265 . Adus pe 3 mai 2010 .

[8] (EN) TC Scott, J. Shertzer și RA Moore, Soluții precise de element finit ale ecuației Dirac cu doi corpuri , în Physical Review A , vol. 45, n. 7, 1992, p. 4393, Bibcode : 1992PhRvA..45.4393S , DOI : 10.1103 / PhysRevA.45.4393 . Adus pe 3 mai 2010 .

[9] (EN) DB Cassidy, AP Mills (Jr.), The production of molecular positronium , în Nature , vol. 449, 2007, pp. 195–197, DOI : 10.1038 / nature06094 . Adus pe 3 mai 2010 .

[10] (EN) Molecule de pozitroniu Observate în laborator pentru prima dată , pe physorg.com. Adus 07-09-2007 .

[11] ( DE ) S. Mohorovičić, Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik , în Astronomische Nachrichten , vol. 253, 1934, p. 94, DOI : 10.1002 / asna.19342530402 .

[DeutschObit-12] (EN) Martin Deutsch, fizician MIT care a descoperit pozitroniul, moare la 85 de ani , de pe web.mit.edu, MIT, 2002.

[1]

[2]

[3],

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]