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Positronium


Positronium [math]e^-e^+\!\,[/math] ist ein exotisches Atom, das aus einem Elektron [math]e^-\!\,[/math] und seinem Antiteilchen, dem Positron [math]e^+\!\,[/math], besteht.

Eigenschaften

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 endliche Lebensdauer hat. Parapositronium zerfällt mit einer mittleren Lebensdauer von 0,125 ns in zwei Photonen.[1] 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.[2]

Zur Berechnung des Radius im Grundzustand genügt das Bohrsche Atommodell:

[math]r = n^2 \frac{4 \pi \varepsilon_0 \hbar^2}{\mu e^2} = 0{,}106\,\textrm{nm} \qquad \textrm{mit} \qquad \mu=\frac{m_e m_p}{m_e+m_p}=\frac{m_e}{2} \,\,\,[/math] ([math]m_e[/math] ist die Masse des Elektrons, [math]m_p[/math] die Masse des Positrons).

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

Vorhersage und Entdeckung

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

Di-Positronium

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 aber erst 2007 von David Cassidy und Allen Mills experimentell hergestellt und nachgewiesen werden.[3][4]

Positronisches Wasser

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.

Physiker der amerikanischen Marquette University sagten 1998 auf der Grundlage von Monte-Carlo-Simulationen vorher, dass positronisches Wasser zwar existieren kann, jedoch chemisch nicht so stabil wie normales Wasser ist, da die Bindungsenergie nur etwa 30 % so groß ist.

In der Praxis wurde positronisches Wasser bislang noch nicht hergestellt.

Literatur

  • N. Jiand, D. M. Schrader: Positronic Water, Ps2O. In: Physical Review Letters. 81, Nr. 23, 1998, S.5113–5116.
  • N. Jiand, D. M. Schrader: Erratum: Positronic Water, Ps2O. In: Physical Review Letters. 82, Nr. 23, 1999, S. 4735.
  • 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. 449, 2007, S. 195–197 (doi:10.1038/nature06094 ).

Einzelnachweise

  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. Molecules of Positronium Observed in the Laboratory for the First Time . Pressemitteilung, University of California, Riverside, 12. September 2007.
  4. Jonathan Fildes: Mirror particles form new matter . BBC News, 12. September 2007.

Weblinks


Kategorien: Atomphysik

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Positronium (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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