電子偶素

電子偶素

概述電子偶素 positronium一個電子和一個正電子組成的類原子系統。正電子和氣體原子間碰撞,俘獲原子中的一個電子而形成電子偶素。正電子帶一個單位正電荷,質量只及質子的 1/1836,電子偶素的結合能只有氫原子結合能的一半。正電子與電子的自鏇均為1/2,電子偶素的總自鏇 S=0和1,可形成自鏇方向相反的單態(1S0,自鏇相反,總自鏇為0)和自鏇方向相同的三 “重態 ”(3S1,自鏇同向,總自鏇為1)的精細結構。在真空中,單態的電子偶素半衰期為125ps(1ps=1x10-12s),之後湮滅產生兩個光子(511keV);三重態電子偶素半衰期為142ns(1ns=1x10-9s),湮滅產生三個光子,有時會產生多個光子。光子總能量為1022keV,即電子和正電子的總質量(2mc^2)。

發現

電子偶素是道依奇(M.Deutsch)1951年發現的,它是正電子靠近電子時形成的類似氫原子的束縛態。一對正負電子相遇可以湮沒而成為伽瑪光子。在湮沒前,一對正負電子(正電子是電子的反物質)形成短壽命的類似原子結構的電子偶素。

簡介

負電子和正電子-內部結構模型圖負電子和正電子-內部結構模型圖

一個負電子和一個正電子組成的類原子系統。正電子和氣體原子間碰撞,俘獲原子中的一個電子而形成電子偶素。正電子帶一個單位正電荷,質量只及質子的 1/1836,電子偶素的結合能只有氫原子結合能的一半。正電子與電子的自鏇均為1/2,電子偶素的總自鏇 S=0和1,可形成自鏇方向相反的單態和自鏇方向相同的三 “重態 ”的精細結構。電子偶素是不穩定原子,單態衰變為 2 個γ 光子,平均壽命為10-10秒,三重態衰變為3個γ光子,平均壽命為 10-7 秒,總能量均等於2mc2。電子偶素對於驗證量子電動力學理論,具有特殊的研究價值。

電子偶素是一個電子與一個正電子組成的短周期、類原子結構。由於電子和正電子最終會湮滅產生光子,它的半衰期非常短。這種特性使其在研究物質內部性質方面具有重要價值。電子偶素在介質中的湮滅時間可作為一種非破壞性測量手段,目前已在正電子成像、PET掃描以及基礎物理研究等領域獲得廣泛套用。

γ 光子-內部結構模型圖γ 光子-內部結構模型圖

生成方法

美國加州大學河濱分校的研究人員報告說,他們發現了一種可在低溫下生成電子偶素的新方法。加州大學河濱分校實驗室進行的這項新研究,在獲取電子偶素上較為簡單也容易操作。研究人員先用雷射對矽樣本進行照射,而後在矽表面澆灌正電子。在雷射的照射下,他們發現矽釋放出來的電子與正電子形成了電子偶素。
負責該項研究的加州大學河濱分校物理和天文學系科學家大衛·卡西迪說:“通過這種方法,我們能夠在非常寬的溫度範圍內,以可控的方式生產大量電子偶素。其他從材料表面生產電子偶素的方法一般都需要首先將樣品加熱到很高的溫度,而我們的方法幾乎可以在任何溫度下進行,其中還包括非常低的溫度。”
該校物理和天文學教授艾倫·米爾說,這項工作表明在正電子到達前用雷射照射樣品表面,可以幫助正電子離開表面以免發生湮滅。用這樣的方法,電子偶素就會從樣品表面自然生成。這種電子偶素的存在時間要比矽表面的正電子長200倍以上,因此很容易探測到。

消失結果

電子偶素湮滅電子偶素湮滅

包含一個正電子的電子偶素,可以說是最小的原子,它被人們所了解還是近10年的事。2003年它的半衰期第一次被確定——千萬分之一秒多點,組成它的正負電子就同歸於盡了。人們找到了一些方法,讓它在短短的一生中作出貢獻。在不同的介質中,電子偶素的半衰期會相應發生變化,因此可以用它來測量物質內部性質。另外由於電子偶素湮滅時可以放出伽馬射線,人們也構想用一群電子偶素湮滅來製造高能射線。

電子偶素的重要套用之一是正電子湮滅壽命譜(PALS,PositronAnnihilationLifetimeSpectroscopy),比如在多孔材料中,電子偶素可以暫時存在於材料的孔隙中,較大孔中的電子偶素因與環境中電子湮滅幾率較小而具有較長的壽命。

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