Позитроний

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

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 Шаблон:Math) и парапозитроний (спины противоположно направлены, суммарный спин Шаблон:Math). 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 Шаблон:Nobr (вдвое больше атома водорода), а его потенциал ионизации из основного состояния равен Шаблон:Nobr (вдвое меньше потенциала ионизации водорода).

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

$t_0=\frac{2\hslash }{m_{\mathrm{e}}{c}^2{\alpha }^5}=\text{0,1244 нс}$

Парапозитроний аннигилирует на два гамма-кванта с энергией по Шаблон:Nobr 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 Шаблон:Nobr (соответствует удвоенной массе электрона).

Масса основного состояния ортопозитрония (терм Шаблон:Math) на Шаблон:Nobr больше, чем основного состояния парапозитрония (терм Шаблон:Math), между этими двумя состояниями возможны переходы. При образовании атома позитрония из неполяризованных частиц ортопозитроний возникает втрое чаще, так как его статистический вес Шаблон:Math 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, 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.

Литература

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

См. также

• Протоний
• Мюоний