Позитроний

Позитроний — 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.

Свойства

Поскольку приведённая масса позитрония почти вдвое меньше приведённой массы электрона, 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 = 2 ℏ m e c 2 α 5 = 0.1244   n s {displaystyle t_{0}={frac {2hbar }{m_{mathrm {e} }c^{2}alpha ^{5}}}=0.1244~mathrm {ns} }

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

Ортопозитроний живёт на три порядка дольше:

t 1 = 1 2 9 h 2 m e c 2 α 6 ( π 2 − 9 ) = 138.6   n s {displaystyle t_{1}={frac {{frac {1}{2}}9h}{2m_{mathrm {e} }c^{2}alpha ^{6}(pi ^{2}-9)}}=138.6~mathrm {ns} }

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 мало, 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

Молекулярный позитроний, дипозитроний, Ps2 — молекула, состоящая из двух атомов позитрония (то есть связанная система из двух электронов и двух позитронов).

В 1946 Дж. А. Уилер предположил, 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. Молекулы Ps2 были обнаружены при облучении тонкой плёнки пористого кварца мощным потоком позитронов.