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Positronium e e displaystyle e e ist ein exotisches Atom das aus einem Elektron e displaystyle e und seinem Antiteilchen

Positronium

Positronium ist ein exotisches Atom, das aus einem Elektron und seinem Antiteilchen, dem Positron , besteht.

Eigenschaften Bearbeiten

Es wird zwischen Ortho- und Parapositronium unterschieden. Während die Spins von Elektron und Positron (jeweils 1/2) beim Orthopositronium gleichgerichtet sind, der Gesamtspin des Systems also 1 beträgt, sind sie im Parapositronium entgegengerichtet, wodurch der Gesamtspin hier 0 beträgt.

Elektron und Positron annihilieren, so dass das Positronium nur eine geringe Lebensdauer hat. Parapositronium zerfällt mit einer mittleren Lebensdauer von 0,125 ns in zwei Photonen. Orthopositronium kann aus Gründen der Invarianz unter Ladungskonjugation nur in eine ungerade Zahl Photonen zerfallen, aus Gründen der Lorentzinvarianz (Energie-Impulserhaltung) also mindestens drei. Da dieser Prozess weniger wahrscheinlich ist, hat es mit 142 ns die erheblich längere Lebensdauer.

Zur Berechnung des Radius im Grundzustand genügt das Bohrsche Atommodell:

( ist die Masse des Elektrons, die Masse des Positrons).

Dies entspricht dem doppelten Radius der Elektronenschale des Grundzustandes des Wasserstoffatoms.

Positronium kann ebenfalls durch eine besondere Form der Zwei-Körper-Dirac-Gleichung behandelt werden. Ein System von zwei Punktteilchen mit Coulomb-Wechselwirkung lässt sich im (relativistischen) Impulsraum exakt separieren. Die resultierende Grundzustandsenergie ist von J. Shertzer mit einer Finite-Elemente-Methode sehr genau berechnet worden. Ihre Ergebnisse führten zur Entdeckung von anomalen Zuständen.

Die Dirac-Gleichung mit einem Hamiltonoperator für zwei Dirac-Teilchen und einem statischen Coulomb-Potential ist nicht relativistisch invariant. Fügt man jedoch die Terme mit , , hinzu (oder , wobei die Feinstrukturkonstante ist), so ist das Ergebnis relativistisch invariant. Nur der führende Term wird berücksichtigt. Der Beitrag zur Ordnung ist der Breit-Term; der Term zur Ordnung wird jedoch selten verwendet, weil in Ordnung bereits der Lamb-Shift auftritt, welcher Quantenelektrodynamik erfordert.

Vorhersage und Entdeckung Bearbeiten

Theoretisch vorhergesagt wurde das Positronium-Atom 1932 von Carl David Anderson und z. B. Stjepan Mohorovičić. Der erste Nachweis gelang 1951 dem Physiker Martin Deutsch am Massachusetts Institute of Technology.

Verbindungen Bearbeiten

Di-Positronium Bearbeiten

Di-Positronium, oder auch Dipositronium, ist ein Molekül aus zwei Positronium-Atomen und damit eine Analogie zum Wasserstoffmolekül aus zwei normalen Wasserstoffatomen. Die Existenz wurde von John Archibald Wheeler bereits 1946 vorhergesagt und theoretisch beschrieben, das Molekül konnte 2007 von David Cassidy und Allen Mills erstmals experimentell hergestellt und nachgewiesen werden.

Positronisches Wasser Bearbeiten

Positronisches Wasser ist ein hypothetisches kurzlebiges, wasserähnliches Molekül aus einem Sauerstoff- und zwei Positroniumatomen. Im Vergleich zum normalen Wasser werden also die Wasserstoffatome durch Positronium ersetzt.

Jiang und Schrader sagten 1998 auf der Grundlage von Quanten-Monte-Carlo-Simulationen vorher, dass positronisches Wasser zwar existieren könne, jedoch chemisch nicht so stabil wie normales Wasser sei, da die Bindungsenergie nur etwa 30 % so groß sei.

In der Praxis wurde positronisches Wasser bislang noch nicht hergestellt.

Literatur Bearbeiten

  • G. Schatz, A. Weidinger: Nukleare Festkörperphysik. 3. Auflage. Teubner Studienbücher, Stuttgart 1997, ISBN 3-519-23079-8.
  • D. B. Cassidy, A. P. Mills Jr.: The production of molecular positronium. In: Nature. Band 449, S. 195, doi:10.1038/nature06094.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. A. H. Al-Ramadhan, D. W. Gidley: New precision measurement of the decay rate of singlet positronium. In: Phys. Rev. Lett. Band 72, Nr. 11, 1994, S. 1632–1635, doi:10.1103/PhysRevLett.72.1632.
  2. R. S. Vallery, P. W. Zitzewitz, D. W. Gidley: Resolution of the Orthopositronium-Lifetime Puzzle. In: Phys. Rev. Lett. Band 90, Nr. 20, 2003, S. 203402, doi:10.1103/PhysRevLett.90.203402.
  3. ↑ T. C. Scott, J. Shertzer, R. A. Moore: Accurate finite element solutions of the two-body Dirac equation. In: Phys. Rev. A. Band 45, Nr. 7, 1992, S. 4393–4398, doi:10.1103/PhysRevA.45.4393.
  4. Chris W. Patterson: Anomalous states of Positronium. In: Phys. Rev. A. Band 100, Nr. 6, 2019, S. 062128, doi:10.1103/PhysRevA.100.062128.
  5. Chris W. Patterson: Properties of the anomalous states of Positronium. In: Phys. Rev. A. Band 107, Nr. 4, 2023, S. 042816, doi:10.1103/PhysRevA.107.042816.
  6. S. Mohorovičić: Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik. In: Astronomische Nachrichten. 253. Jahrgang, Nr. 4, 1934, S. 93–108, doi:10.1002/asna.19342530402.
  7. Molecules of Positronium Observed in the Laboratory for the First Time. Pressemitteilung, University of California, Riverside, 12. September 2007.
  8. Jonathan Fildes: Mirror particles form new matter. BBC News, 12. September 2007.
  9. N. Jiang, D. M. Schrader: Positronic Water, Ps2O. In: Phys. Rev. Lett. Band 81, Nr. 23, S. 5113, doi:10.1103/PhysRevLett.81.5113.

Weblinks Bearbeiten

Wiktionary: Positronium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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Positronium e e displaystyle e e ist ein exotisches Atom das aus einem Elektron e displaystyle e und seinem Antiteilchen dem Positron e displaystyle e besteht Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Vorhersage und Entdeckung 3 Verbindungen 3 1 Di Positronium 3 2 Positronisches Wasser 4 Literatur 5 Einzelnachweise 6 WeblinksEigenschaften BearbeitenEs wird zwischen Ortho und Parapositronium unterschieden Wahrend die Spins von Elektron und Positron jeweils 1 2 beim Orthopositronium gleichgerichtet sind der Gesamtspin des Systems also 1 betragt sind sie im Parapositronium entgegengerichtet wodurch der Gesamtspin hier 0 betragt Elektron und Positron annihilieren so dass das Positronium nur eine geringe Lebensdauer hat Parapositronium zerfallt mit einer mittleren Lebensdauer von 0 125 ns in zwei Photonen 1 Orthopositronium kann aus Grunden der Invarianz unter Ladungskonjugation nur in eine ungerade Zahl Photonen zerfallen aus Grunden der Lorentzinvarianz Energie Impulserhaltung also mindestens drei Da dieser Prozess weniger wahrscheinlich ist hat es mit 142 ns die erheblich langere Lebensdauer 2 Zur Berechnung des Radius im Grundzustand genugt das Bohrsche Atommodell r n 2 4 p e 0 ℏ 2 m e 2 0 106 nm mit n 1 displaystyle r n 2 frac 4 pi varepsilon 0 hbar 2 mu e 2 0 106 textrm nm qquad textrm mit qquad n 1 nbsp Hauptquantenzahl und m m e m p m e m p m e 2 displaystyle qquad textrm und qquad mu frac m e m p m e m p frac m e 2 nbsp m e displaystyle m e nbsp ist die Masse des Elektrons m p displaystyle m p nbsp die Masse des Positrons Dies entspricht dem doppelten Radius der Elektronenschale des Grundzustandes des Wasserstoffatoms Positronium kann ebenfalls durch eine besondere Form der Zwei Korper Dirac Gleichung behandelt werden Ein System von zwei Punktteilchen mit Coulomb Wechselwirkung lasst sich im relativistischen Impulsraum exakt separieren Die resultierende Grundzustandsenergie ist von J Shertzer 3 mit einer Finite Elemente Methode sehr genau berechnet worden Ihre Ergebnisse fuhrten zur Entdeckung von anomalen Zustanden 4 5 Die Dirac Gleichung mit einem Hamiltonoperator fur zwei Dirac Teilchen und einem statischen Coulomb Potential ist nicht relativistisch invariant Fugt man jedoch die Terme mit 1 c 2 n displaystyle 1 c 2n nbsp n 1 2 displaystyle n 1 2 ldots nbsp hinzu oder a 2 n displaystyle alpha 2n nbsp wobei a displaystyle alpha nbsp die Feinstrukturkonstante ist so ist das Ergebnis relativistisch invariant Nur der fuhrende Term wird berucksichtigt Der Beitrag zur Ordnung a 2 displaystyle alpha 2 nbsp ist der Breit Term der Term zur Ordnung a 4 displaystyle alpha 4 nbsp wird jedoch selten verwendet weil in Ordnung a 3 displaystyle alpha 3 nbsp bereits der Lamb Shift auftritt welcher Quantenelektrodynamik erfordert 3 Vorhersage und Entdeckung BearbeitenTheoretisch vorhergesagt wurde das Positronium Atom 1932 von Carl David Anderson und z B Stjepan Mohorovicic 6 Der erste Nachweis gelang 1951 dem Physiker Martin Deutsch am Massachusetts Institute of Technology Verbindungen BearbeitenDi Positronium Bearbeiten Di Positronium oder auch Dipositronium ist ein Molekul aus zwei Positronium Atomen und damit eine Analogie zum Wasserstoffmolekul aus zwei normalen Wasserstoffatomen Die Existenz wurde von John Archibald Wheeler bereits 1946 vorhergesagt und theoretisch beschrieben das Molekul konnte 2007 von David Cassidy und Allen Mills erstmals experimentell hergestellt und nachgewiesen werden 7 8 Positronisches Wasser Bearbeiten Positronisches Wasser ist ein hypothetisches kurzlebiges wasserahnliches Molekul aus einem Sauerstoff und zwei Positroniumatomen Im Vergleich zum normalen Wasser werden also die Wasserstoffatome durch Positronium ersetzt Jiang und Schrader sagten 1998 auf der Grundlage von Quanten Monte Carlo Simulationen vorher dass positronisches Wasser zwar existieren konne jedoch chemisch nicht so stabil wie normales Wasser sei da die Bindungsenergie nur etwa 30 so gross sei 9 In der Praxis wurde positronisches Wasser bislang noch nicht hergestellt Literatur BearbeitenG Schatz A Weidinger Nukleare Festkorperphysik 3 Auflage Teubner Studienbucher Stuttgart 1997 ISBN 3 519 23079 8 D B Cassidy A P Mills Jr The production of molecular positronium In Nature Band 449 S 195 doi 10 1038 nature06094 Einzelnachweise Bearbeiten A H Al Ramadhan D W Gidley New precision measurement of the decay rate of singlet positronium In Phys Rev Lett Band 72 Nr 11 1994 S 1632 1635 doi 10 1103 PhysRevLett 72 1632 R S Vallery P W Zitzewitz D W Gidley Resolution of the Orthopositronium Lifetime Puzzle In Phys Rev Lett Band 90 Nr 20 2003 S 203402 doi 10 1103 PhysRevLett 90 203402 a b T C Scott J Shertzer R A Moore Accurate finite element solutions of the two body Dirac equation In Phys Rev A Band 45 Nr 7 1992 S 4393 4398 doi 10 1103 PhysRevA 45 4393 Chris W Patterson Anomalous states of Positronium In Phys Rev A Band 100 Nr 6 2019 S 062128 doi 10 1103 PhysRevA 100 062128 Chris W Patterson Properties of the anomalous states of Positronium In Phys Rev A Band 107 Nr 4 2023 S 042816 doi 10 1103 PhysRevA 107 042816 S Mohorovicic Moglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung fur die Astrophysik In Astronomische Nachrichten 253 Jahrgang Nr 4 1934 S 93 108 doi 10 1002 asna 19342530402 Molecules of Positronium Observed in the Laboratory for the First Time Pressemitteilung University of California Riverside 12 September 2007 Jonathan Fildes Mirror particles form new matter BBC News 12 September 2007 N Jiang D M Schrader Positronic Water Ps2O In Phys Rev Lett Band 81 Nr 23 S 5113 doi 10 1103 PhysRevLett 81 5113 Weblinks Bearbeiten nbsp Wiktionary Positronium Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Presse Information der Max Planck Gesellschaft uber Positronium Ionen Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Positronium amp oldid 237585662