基本介紹
- 中文名：正電子素
- 外文名：positronium
- 領域：物理學
- 別名：電子偶素
- 化學符號：Ps
- 相關：束縛態
簡介,自旋單態與三重態,自然發生,
簡介
當一個已熱化的正電子和一個電子碰撞時，有可能在發生湮沒之前暫時形成一個由正電子和負電子組成的中性束縛體系(e+e-)，即稱為正電子素，以Ps表示。它可以看作類原子或最簡單的氫。有兩種正電子素，一種是正態o-Ps，e+與e-自旋平行，另一種是仲態，p-Ps，自旋反平行。正態Ps的湮沒平均壽命為10^(-7)s(長壽命三重態)而仲態為10^(-10)s(單態)。正電子素可以進行電子綴拾過程，自旋轉換過程以及某些化學反應過程。正態Ps可與基質分子發生如氧化、還原以及化合物生成等化學反應。
由於電子和正電子最終會湮滅產生光子，電子偶素的半衰期是很短的。根據電子與正電子自旋狀態的不同，電子偶素主要分為兩種。單態(S0，自旋相反，總自旋為0)即仲電子偶素(para-positronium，簡記為p-Ps)，三重態(S1，自旋同向,總自旋為1)即正電子偶素(ortho-positronium，簡記為o-Ps)。在真空中，單態的電子偶素半衰期為125ps，之後湮滅產生兩個光子(511keV)；三重態電子偶素半衰期為142ns，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。
在介質中，三重態電子偶素的半衰期會相應變化，這就給人們提供了研究物質性質的一種手段。利用正電子或電子偶素研究物質內部性質已經成為一個套用非常廣泛的學科。它主要利用電子偶素在介質中的湮滅時間譜圖(Positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS)的擬合為測量手段，而且是一種非破壞性的方法。
自旋單態與三重態
正電子素質量為1.022MeV，是電子質量的兩倍減去幾個電子伏特的結合能。 正電子素的基態如氫的基態具有取決於電子和正電子的自旋的相對取向的兩種可能。
單態，反平行自旋（S = 0，Ms = 0）被稱為對 - 正電子（p-Ps）。 它具有0.125納秒（ns）的平均壽命，並優先衰減為兩個γ射線，每個能量為511keV（在質心中心）。通過檢測這些光子，可以發現衰變的位置。 該過程用於正電子發射斷層掃描。 對位正電子可以衰減到任何偶數光子（2,4,6，...），但是機率隨著數量急劇下降：衰減為4個光子的分支比為1.439(2)×10^(-6)。
真空中的正電子壽命約為
具有平行自旋（S = 1，Ms = -1,0,1）的三重態，被稱為鄰正電子（o-Ps）。平均壽命為142.05±0.02ns，，主要衰減為三個伽馬射線。其他衰變模式可以忽略不計;例如，五光子模式的分支比為〜1.0×10^(-6)。
真正的正電子壽命可以大致計算如下：
然而，對於O（α2）的校正進行更精確的計算，對於衰減率產生7040ns的值，對應於142ns s的壽命。
2S狀態的正電子是亞穩態的，具有1100ns的壽命，以防止湮滅。在這種激髮狀態下產生的正電子將迅速聯到基態，其中湮滅將更快地發生。
自然發生
如果質子衰減是現實，高能態的正電子素將被預測為未來宇宙中原子物質的主要形式。
