Wie existiert Positronium?

Wie Sie bemerkt haben, ist es nicht automatisch wahr, dass sich ein Teilchen und sein Antiteilchen gegenseitig vernichten, wenn sie sich nahe kommen. Tatsächlich ist keine Wechselwirkung zwischen Teilchen wirklich sicher. Die Quantenmechanik (und auf einer höheren Ebene die Quantenfeldtheorie) sagt Ihnen, dass all diese Wechselwirkungen mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten auftreten. Wenn also beispielsweise ein Teilchen und sein Antiteilchen nahe beieinander liegen, besteht nur die Chance, dass sie innerhalb einer bestimmten Zeitspanne interagieren.

Je länger die Teilchen jedoch zusammen bleiben, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie interagieren und sich gegenseitig vernichten. Dies ist verantwortlich für die 142 ns Lebensdauer von Positronium, wie im Wikipedia-Artikel berichtet: Die Vernichtungswahrscheinlichkeit steigt mit der Zeit derart an, dass die durchschnittliche Lebensdauer eines "Atoms" von Positronium 142 ns beträgt.

Wie Cedric sagte, solange sich das Positron und das Elektron nicht gegenseitig vernichten (und denken Sie daran, dass die Wahrscheinlichkeit, dass dies zu einem bestimmten Zeitpunkt geschieht, nur begrenzt ist), können sie auf die gleiche Weise interagieren wie alle anderen geladenen Teilchen. wie Proton und Elektron. Durch die elektromagnetische Wechselwirkung verbunden zu sein, wie in einem Wasserstoffatom oder einem Positronium-"Atom", ist nur ein Beispiel.

Nur um hinzuzufügen. Das Positronium existiert nicht nur, es kann auch mit Materie interagieren und ermöglicht es Ihnen, interessante Physik zu betreiben. Zum Beispiel in einer neueren Veröffentlichung S. Mariazzi, P. Bettotti, RS Brusa, Positronium Cooling and Emission in Vacuum from Nanochannels at Cryogenic Temperature , Phys. Rev. Lett. 104, 243401 (2010) Positronium, das durch Abscheidung von Positronen auf einer nanostrukturierten Oberfläche erzeugt wurde, wurde durch Kollision mit Wänden von Nanokanälen abgekühlt und bei etwa 150 K thermalisiert(!). Hier ist ein Zitat aus dem Abstract dieser Arbeit:

Eine hohe Formationsausbeute und ein bedeutender gekühlter Anteil von Positronium unter Raumtemperatur wurden durch Implantieren von Positronen in ein Siliziumtarget erzielt, in dem gut kontrollierte oxidierte Nanokanäle (5–8 nm Durchmesser) senkrecht zur Oberfläche erzeugt wurden. Wir zeigen, dass durch die Implantation von Positronen bei 7 keV in das Target, das bei 150 K gehalten wird, etwa 27 % der Positronen Positronium bilden, das in das Vakuum entweicht. Etwa 9 % des austretenden Positroniums werden durch Kollision mit den Wänden von Nanokanälen gekühlt und mit einem Maxwellschen Strahl bei 150 K emittiert.

Weil sie entgegengesetzt geladen sind, können sie einen gebundenen Zustand bilden: Auch klassisch kann man das verstehen: Gegensätzlich geladene Ladungen ziehen sich an.

Zwar können sich ein Teilchen und sein Antiteilchen gegenseitig vernichten, doch müssen sie erst in Wechselwirkung treten.

Positronium ist ein rein elektromagnetischer gebundener Zustand: Das Positron und das Elektron bilden durch elektromagnetische Wechselwirkung einen gebundenen Zustand (keine starke Wechselwirkung, da es sich um Leptonen handelt, und die schwache Wechselwirkung spielt bei der Bildung des gebundenen Zustands keine Rolle).

Sie haben die gleiche Masse, aber es ist kein wirkliches Problem.

Quantenmechanisch wird dieses Problem genauso behandelt wie das Lehrbuchbeispiel des Wasserstoffatoms. Sie trennen zuerst den Massenschwerpunkt vom Problem, aber da sie hier die gleiche Masse haben, kann dies im Endergebnis nicht vernachlässigt werden.

Dann berechnet man die Wechselwirkung eines Teilchens mit dem Massenmittelpunkt (beim H-Atom ist dies eindeutig die Wechselwirkung des Elektrons mit dem Proton, hier aber eines der beiden Leptonen mit dem Massenmittelpunkt). mitten drin).

Ich sollte auch anmerken, dass selbst wenn der gebundene Zustand aus dieser Sicht stabil ist, das Positronium schließlich vernichten wird, weil sich die beiden Wellenfunktionen überlappen und somit diese beiden Antiteilchen interagieren und vernichten können.

Positronium kann auf verschiedene Weise gebildet werden, ein Beispiel, wo Sie Positronium in Ihrem Badezimmer erstellen können, ist ein Element, das ist$\beta^+$instabil. Nach diesem Zerfall wird ein Positron emittiert. Es kann dann mit der sehr großen Anzahl von Elektronen, die in der Materie vorhanden sind, interagieren und sie können einen gebundenen Zustand bilden: das Positronium.

Für eine etwas andere Sichtweise auf mehr oder weniger das Gleiche, was bereits gesagt wurde: Die Idee, dass ein Elektron, das einem Positron irgendwie nahe kommt, unweigerlich mit diesem vernichtet wird, stammt von der gleichen Art von Missverständnis, das die Leute dazu bringt zu glauben, dass Objekte kommen in der Nähe eines Schwarzen Lochs unweigerlich hineinfallen. Keines von beiden ist unvermeidlich, da die Wirkung beider Kräfte nur darin besteht, die Objekte aufeinander zu ziehen, was je nach den Details zu einer Kollision führen kann, die sie verzehrt oder nicht die Bewegung der Teilchen, bevor sie zu interagieren beginnen.

Sie könnten vielleicht behaupten, dass ein Positron und ein Elektron, die vollkommen in Ruhe beginnen, vernichten würden, ohne jemals einen gebundenen Zustand zu bilden, aber das ist aus einer Reihe von Gründen, einschließlich der Unschärferelation, eine völlig unrealistische Situation. Wenn sie jedoch mit einer gewissen Anfangsgeschwindigkeit weit voneinander entfernt starten, hängt ihr Schicksal von der genauen Anordnung der Anfangsbedingungen ab. Die Bildung eines stabilen gebundenen Zustands erfordert höchstwahrscheinlich auch ein drittes Teilchen, um Energie und Impuls zu erhalten.

Abhängig von der relativen Spinorientierung von Elektron und Positron kann das Positronium zwei Spinzustände haben: Wenn das Elektron und das Positron antiparallele Spins (+1/2 und -1/2) haben, ist das Positronium ein Spin-Singulett Zustand mit einer intrinsischen Lebensdauer von 0,125 ns und zerfällt durch Zwei-Photonen-Vernichtung. Wenn andererseits Elektron und Positron parallele Spins haben, befindet sich das Positronium im Spin-Triplett-Zustand mit einer intrinsischen Lebensdauer von 142 ns und annihiliert im Drei-Photonen-Modus im Vakuum. In Anwesenheit von Material hat das Positronium jedoch eine endliche Wahrscheinlichkeit, sein eigenes Elektron mit dem Elektron mit entgegengesetztem Spin aus der Umgebung auszutauschen, als Ergebnis kann das Triplett-Positronium in einem Singulett-Modus (Zwei-Photonen) schneller als 142 ns zerfallen . Diese Art der Vernichtung wird Pick-off-Zerfall genannt,