포지트로늄

Positronium
이 기사는 이국적인 원자에 관한 것이다.수소 동위원소는 수소 동위원소 hydrogen 수소-1(프로튬)을 참조한다.
공통 질량 중심을 공전하는 전자와 양전자.s 상태는 각운동량이 0이므로, 서로 주위를 도는 것은 입자 쌍이 흩어지거나 소멸될 때까지 서로를 향해 직진하는 것을 의미합니다.이것은 양전자라고 알려진 결합 양자 상태입니다.
반물질
A Feynman diagram showing the annihilation of an electron and a positron (antielectron), creating a photon that later decays into an new electron–positron pair.
반입자

오니아

개념과 현상
장치들
사용하다
사람과 몸

포지트로늄(Ps)은 전자와 그것의 반입자인 양전자로 이루어진 시스템으로 이국적인 원자, 특히 오늄으로 결합되어 있다.시스템은 불안정합니다. 상대 스핀 상태에 따라 두 입자가 서로를 전멸시켜 주로 두세 개의 감마선을 생성합니다.두 입자의 에너지 수준은 수소 원자의 에너지 수준과 유사합니다.그러나 질량이 감소했기 때문에 스펙트럼 라인의 주파수는 대응하는 수소 라인의 주파수의 절반 미만이다.

미국.

양전자의 질량은 1.022MeV로 전자 질량의 두 배에서 몇 eV의 결합 에너지를 뺀 값입니다.양전자의 가장 낮은 에너지 궤도 상태는 1S이며, 수소와 마찬가지로 전자와 양전자의 스핀의 상대적인 방향에서 발생하는 초미세 구조를 가지고 있다.

역평행 스핀(S = 0, Ms = 0)을 갖는 싱글트 상태 S를
0 파라-트리크로늄(p-Ps)이라고 한다.평균 수명은 0.12ns이며, (질량 중심 프레임에서) 각각 511 keV의 에너지를 가진 두 개의 감마선으로 우선적으로 소멸한다.파라 포지트로늄은 임의의 수의 광자(2, 4, 6, ...)로 붕괴할 수 있지만, 4개의 광자로 붕괴하는 분기 비율은 1.439(2)×10이다−6.[1]

파라 포지트로늄의 수명은 진공상태에서[1] 약

병렬 스핀(S = 1, Ms = -1, 0, 1)을 갖는 삼중항 상태 S는1 오르토-나트륨(o-Ps)으로 알려져 있으며, 단일항보다 [1]약 0.001 eV 높은 에너지를 가진다.이러한 상태의 평균 수명은 142.05±0.[2]02ns이며, 선행 붕괴는 3개의 감마입니다.다른 붕괴 모드는 무시할 수 있습니다.예를 들어, 5 포토 모드의 분기율은 10 [3]이하입니다−6.

진공 상태에서의 Ortho-positronium 수명은 대략 다음과 [1]같이 계산할 수 있습니다.

그러나 O(α2)에 대한 보정을 통해 더 정확한 계산을 수행하면 붕괴 속도에 대해 7.040−1 μs의 값이 산출되며, 이는 142 [4][5]ns의 수명에 해당한다.

2S 상태의 포지트로늄은 [6]전멸에 대해 1100ns의 수명을 가진 준전이 가능하다.이렇게 들뜬 상태에서 생성된 양전자는 빠르게 지면 상태로 흘러내리고, 그곳에서 전멸이 더 빨리 일어날 것이다.

측정값

이러한 수명과 에너지 레벨의 측정은 양자 전기 역학의 정밀 테스트에 사용되어 양자 전기 역학(QED) 예측을 [1][7][8]고정밀로 확인시켜 왔습니다.

소멸은 여러 채널을 통해 진행될 수 있으며, 각 채널은 1022 keV(전자 및 양전자 질량 에너지의 합계)의 감마선을 생성하며, 보통 2 또는 3이며, 단일 소멸에서 최대 5개의 감마선 광자가 기록된다.

중성미자-반중성미자 쌍으로의 전멸도 가능하지만, 그 확률은 무시할 수 있을 것으로 예측된다.이 채널의 o-Ps 붕괴 분기율은 표준 모델에 기초한 예측에서 6.2×10−18(전자 중성미자-반중성미자 쌍)과 9.5−21×10(기타 [3]풍미자 쌍)이지만 상대적으로 높은 자기 모멘트와 같은 비표준 중성미자 성질에 의해 증가할 수 있다.이 붕괴(및 "보이지 않는" 입자로의 붕괴)에 대한 분기 비율의 실험 상한은 p-Ps의 경우 4.3×10−7 미만, [2]o-Ps의 경우 4.2×10−7 미만이다.

에너지 수준

주요 기사:Bohr 모델 electron 전자 에너지 수준

포지트로늄 에너지 수준의 정확한 계산은 베테-살페테르 방정식 또는 브라이트 방정식을 사용하지만 포지트로늄과 수소의 유사성은 대략적인 추정을 가능하게 한다.이 근사치에서는 에너지 방정식의 다른 유효 질량 m* 때문에 에너지 수준이 다릅니다(파생은 전자 에너지 수준 참조).

여기서:

  • q는e 전자의 전하 크기이다(양전자와 동일).
  • h는 플랑크의 상수이다.
  • δ는 전기 상수(자유 공간의 유전율이라고 함)입니다0.
  • μ는 감소된 질량입니다.
    여기서e m과p m은 각각 전자와 양전자의 질량이다(대립자와 정의상 동일).

따라서 포지트로늄의 경우 감소된 질량은 전자와 2배 정도만 차이가 난다.이것은 또한 에너지 레벨이 대략 수소 원자의 절반 정도가 되도록 합니다.

그래서 마지막으로, 포지트로늄의 에너지 수준은 다음과 같이 주어진다.

양전자(n = 1)의 가장 낮은 에너지 수준은 -6.8 eV이다.다음 레벨은 -1.7 eV입니다.음의 부호는 속박 상태를 암시하는 규칙입니다.포지트로늄은 2체 디락 방정식의 특정 형태로도 고려할 수 있다.쿨롱 상호작용을 가진 두 입자는 (상대론적) 모멘텀 중심 프레임에서 정확히 분리될 수 있으며, 그 결과 얻은 지상 상태 에너지는 Janine Shertzer의[9] 유한 요소 방법을 사용하여 매우 정확하게 얻어졌고,[10] 보다 최근에 확인되었습니다.해밀턴이 두 개의 디락 입자와 정적 쿨롱 전위를 포함하는 디락 방정식은 상대론적으로 불변하지 않습니다.하지만 만약 .mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac.num,.mw-parser-output.sfrac .den{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den을 추가{border-top:1px. }고체.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1/c2n(또는 α2n, α은 fine-structure 상수)조건, nx1,2..., 다음 결과 상대론적으로 불변이다.선행어만 포함되어 있습니다.α의 기여는2 Breit 용어이다. 작업자는 α에서 양자3 전기 [9]역학을 필요로 하는 램 시프트를 가지기 때문에 α로 가는4 경우가 거의 없다.

재료의 형성 및 부식

물질 내의 방사성 원자가 β 붕괴(양전자 방출)를+ 겪은 후, 그 결과 발생하는 고에너지 양전자는 원자와 충돌함으로써 느려지고, 결국 물질 내의 많은 전자 중 하나와 함께 소멸된다.그러나 그것은 소멸이 일어나기 전에 먼저 양전자를 형성할 수 있다.이 과정을 이해하는 것은 양전자 방출 단층촬영에서 어느 정도 중요합니다.약:[11][12]

  • 최대 60%의 양전자가 양전자를 형성하지 않고 전자와 함께 직접 전멸한다.소멸은 보통 두 개의 감마선을 발생시킨다.대부분의 경우 이러한 직접적인 소멸은 양전자가 과도한 운동 에너지를 잃고 물질과 함께 열을 가한 후에만 발생합니다.
  • 양전자의 최대 10%가 파라-중성자를 형성하고, 파라-중성자는 즉시 (0.12ns에서) 분해되며, 보통 2개의 감마선으로 변한다.
  • 양전자의 최대 30%가 오르토-크롬을 형성하지만, 몇 나노초 이내에 반대 스핀으로 근처의 다른 전자를 '꺼냄'으로써 전멸합니다.이것은 보통 두 개의 감마선을 생성한다.이 기간 동안 초경량 포지트로늄 원자는 강한 영점 운동을 나타내며 압력을 가하여 매질 내의 작은 나노미터 크기의 기포를 밀어낼 수 있다.
  • 양전자의 약 0.5%만이 자가 감쇠하는(일반적으로 3개의 감마선으로) 오르토 포지트로늄을 형성한다.이러한 오르토 포지트로늄의 자연 붕괴 속도는 앞서 언급한 픽오프 과정에 비해 상대적으로 느리므로(~140 ns 붕괴 수명) 3-감마 붕괴가 거의 발생하지 않는다.

역사

유니버시티 칼리지 런던의 포지트로늄 빔은 포지트로늄의 [13]성질을 연구하는데 사용되는 실험실이다.

슈테판 모호로비치치는 1934년 천문학자 나히리히텐에 실린 글에서 양전자의 존재를 예측했다.[14]다른 소식통들은 칼 앤더슨이 칼텍에 [15]있는 동안 1932년에 그것의 존재를 예측했다고 잘못 믿고 있다.그것은 1951년 MIT의 마틴 도이치에 의해 실험적으로 발견되었고 포지트로늄으로 [15]알려지게 되었다.이후의 많은 실험들은 그것의 특성을 정밀하게 측정하고 양자 전기 역학의 예측을 검증했다.오르토 포지트로늄 평생 퍼즐로 알려진 불일치가 한동안 지속되었지만, 결국 추가적인 계산과 [16]측정으로 해결되었다.미열화 포지트로늄의 수명 측정으로 인해 측정이 잘못되었으며, 이는 적은 비율로 생산되었다.이것은 너무 긴 수명을 낳았다.또한 상대론적 양자 전기역학을 이용한 계산은 수행하기가 어려웠기 때문에 1차까지만 수행되었다.고차 보정은 비상대론적 양자 전기역학에서 [4]계산되었다.

외래 화합물

양전자의 [17]분자 결합이 예측되었다.수소화 포지트로늄(PsH) 분자를 [18]만들 수 있다.포지트로늄은 또한 시안화물을 형성할 수 있고 할로겐이나 [19]리튬과 결합을 형성할 수 있다.

디포시트로늄의 첫 번째 관찰.Ps2) 분자는 두 개의 포지트로늄 원자로 구성되며 2007년 9월 12일 캘리포니아 대학 [20][21]리버사이드의 데이비드 캐시디와 앨런 밀스에 의해 보고되었다.

자연발생

초기 우주에서의 바리온 비대칭으로 이어지는 사건들은 원자(양전자와 같은 외래 품종 포함)가 형성되기 약 3분의 1년 전에 일어났기 때문에, 포지트로늄 원자는 발생하지 않았다.

마찬가지로, 오늘날 자연적으로 발생하는 양전자는 우주선과 대기의 상호작용과 같은 고에너지 상호작용에 의해 발생하므로, 소멸되기 전에 전기 결합을 형성하기에는 너무 뜨겁다(열 에너지).

양성자 붕괴가 [22][23]일어날 경우 매우 약하게 결합된 (극히 큰 n) 상태의 포지트로늄은 먼 미래에 우주에서 원자 물질의 지배적인 형태가 될 것으로 예측되어 왔다.비록 어떤 positrons와 전자 문제의 붕괴를 처음에 너무 빨리 함께 바인딩 할 움직이는데 이후 남은 만큼 그들은 결국 운동 에너지가 쿨롱 밑으로 내려가겠습니다( 때 전자와 positrons은 일반적으로 1100경 parsecs 1085년년, 간격으로), 우주의 팽창, 자유 입자들을 둔화시킨다.omb 흡인 퍼텐셜이 약하게 결합됩니다(크롬).그 결과 약하게 결합되는 전자와 양전자 소용돌이는 안쪽으로 들어가 결국 소멸하며, 예상 수명은 10년이다141.[23]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크