Positronium – definition, egenskaper och sönderfall

Positronium: definition, unika egenskaper och sönderfall — förstå bindningen mellan elektron och positron och bildandet av gammastrålar.

Positronium är ett onium, en typ av exotisk atom som består av en partikel och dess antipartikel. I positronium är en positron och en elektron bundna till varandra. Positronen ersätter en proton som normalt skulle finnas i en väteatom. Båda två rör sig kring varandra i samma genomsnittliga omloppsbana, men till skillnad från vanliga atomer är båda komponenterna lättvägiga och kan annihilera varandra.

Egenskaper

• Positronium är ett rent leptonsystem utan kärna, vilket gör det särskilt värdefullt för precisionsmätningar inom kvantelektrodynamiken (QED).
• Den reduktion av massan (reducerad massa μ = m_e/2) ger en Bohrradie som är ungefär 2 a0 (cirka 1,06 Å) och en bindningsenergi på 6,8 eV, det vill säga hälften av vätets bindningsenergi.
• Spektrallinjerna följer samma formel som för väte men skalade på grund av den halverade reduktionsmassan (Rydbergkonstanten blir ungefär hälften).

Sönderfall och livslängd

Positronium är instabilt och annihilerar efter en kort tid. Vilken sönderfallsväg som sker beror på systemets spinnkonfiguration:

• Para-positronium (p-Ps): singlettillstånd (totalt spin 0). Sönderfaller huvudsakligen i två gammafotoner med vardera energin 511 keV (i vilotillstånd), och livslängden i vakuum är mycket kort, cirka 125 ps (1,25×10^−10 s).
• Orto-positronium (o-Ps): triplettillstånd (totalt spin 1). Sönderfaller i vakuum huvudsakligen i tre fotoner med ett kontinuerligt energispektrum där summan av energi är 1 022 keV. Livslängden i vakuum är mycket längre, cirka 142 ns (1,42×10^−7 s).

I material kan dessa tider förändras genom processer som pick-off-annihilation (positronen annihilerar mot en omgivande elektron) eller genom kemiska/ytinteraktioner, vilket ofta förkortar den observerade livslängden till nanosekund- eller pikosekundskala.

Bildning

Positronium kan bildas när en positron saktas ner i materia och fångas av en elektron. Vanliga metoder för att skapa positronium i laboratorier är:

• Positronkällor (beta+‑sönderfall) följt av inbromsning i ett målmaterial.
• Positronstrålar riktade mot gaser, fasta ämnen eller ytor där parbildning och fångst sker.
• Parbildning vid högenergetiska processer i acceleratorer.

Tillämpningar och forskning

• Positronium används som ett testobjekt för QED‑beräkningar; avvikelser mellan mätningar och teori kan ge ledtrådar om nya fysikaliska effekter.
• Inom materialforskning används positronium för att studera porositet, defekter och elektronstruktur, eftersom dess livslängd och annihilationsspektra påverkas av den omgivande miljön.
• Inom medicinsk bilddiagnostik är annihilationsfotoner (511 keV) centrala för PET‑teknik (positronemissions­tomografi), även om PET inte direkt studerar bundet positronium i normal klinisk drift.

Exotiska former

Det finns även mer exotiska tillstånd och sammansättningar:

• Rydberg‑positronium: högt exciterade tillstånd med stor radie och längre livslängd som är intressanta för experimentella studier och möjlig användning i antihydrogenproduktion.
• Dipositronium (Ps2): en molekyl bestående av två elektroner och två positroner som experimentellt påvisats; sådana sammansättningar öppnar för studier av många‑kroppsfenomen i rent leptonsystem.
• Forskning på kondensation och kollektiva tillstånd av positronium pågår, bland annat med tanke på möjlig bildning av Bose‑Einstein‑kondensat av ortho‑positronium.

Sammanfattningsvis är positronium ett kortlivat men mycket användbart felsökningsverktyg i grundforskning: det kombinerar enkelheten hos två‑partikelsystemet med den rika fysiken kring annihilation, spinnberoende sönderfall och växelverkan med omgivningen. Vid annihilationen bildas alltid gammastrålar (antal och spektrum bestäms av spinnet), och dessa fotoner utnyttjas både i experimentell fysik och i tillämpningar som medicinsk avbildning.

Sök med bokstav