بوزترونيوم

الكترون وبوزيترون يدوران حول مركز ثقل. وتلك هي حدود حالة الكم المعروفة باسم بوزترونيوم.

بوزترونيوم (بالإنجليزية: Positronium)‏ هونظام يتكون من الإلكترون وضديده: البوزيترون الذان يرتبطان معا مكونان ذرة شاذة. وهي غير مستقرة حيث يفنيان كلا الجسيمان بعضهما البعض ليكونا فوتونين من أشعة غاما بعد متوسط عمر يقدر ب 125 ب.ث أوثلاثة فوتونات أشعة غاما بعد متوسط عمر يقدر ب 142 ن.ث في الفراغ، اعتمادا على حالات اللف النسبي للبوزيترون والإلكترون. يتشابه مدار الجسيمين ودائرة مستوى الطاقات مع ماهوفي ذرة الهيدروجين (الإلكترون والبروتون). لكن بسبب الكتلة المخفضة فإن الترددات المرتبطة مع خطوط الطيف تكون أقل من نصف التي هي مرتبطة بخطوط الهيدروجين اللقاءة.

الحالات

تتشابه الحالة الدنيا للبوزترونيوم مع الهيدروجين، حيث لها تشكيلين ممكنين يعتمدان على توجهات اللف النسبية لكل من الإلكترون والبوزيترون.

تعهد الحالة المفردة مع لف متضاد (S‏ = 0 ، M_s ‏= 0) باسم بوزترونيوم متعاكس (p-Ps) ويرمز ¹
S
₀. لديه عمر أساسي يقدر ب 125 بيكوثانية، ويضمحل تفضيليا إلى كمتين غاما مع طاقة 511 إلكترون فولت لكل منهما (في هيكل مركز الزخم). الكشف عن هذه الفوتونات يسمح لاعادة بناء قمة التحلل ويستخدم في تصوير مبتري بالإصدار البوزيتروني. ويمكن للبوزترونيوم المتعاكس ان يتحلل لأي عدد من الفوتونات (2 ، أربعة ،ستة ،...)، وتقل الاحتمالية حدثا زاد العدد: نسبة التفرع للتحلل إلى أربعة فوتونات هو1.439(2)×10⁻⁶‏.

متوسط عمر بوزترونيوم المتعاكس (S =‏ 0):‏

{\displaystyle t_{0 ={\frac {2\hbar {m_{e c^{2 \alpha ^{5 =1.244\times 10^{-10 \;{\text{s

أما الحالة الثلاثية وبلف متوازي (S‏ = 1، M_s ‏= -1، 0، 1) فيعهد ببوزيترونيوم مستقيم (o-Ps) ورمزه ³S₁. ومتوسط عمره في الفراغ 142.05±0.02 نـs‏. والنمط الرئيسي للتحلل هوثلاث كمات غاما. أما الأنمطة الأخرى للتحلل فهي غير ذات أهمية؛ مثال على ذلك، نمط الفوتونات الخمس لها نسبة تفرع ~1.0×10⁻⁶‏.

متوسط عمر البوزيترونيوم المستقيم (S = 1) هو:

{\displaystyle t_{1 ={\frac {{\frac {1 {2 9h {2m_{e c^{2 \alpha ^{6 (\pi ^{2 -9) =1.386\times 10^{-7 \;{\text{s

يكون البوزيترونيوم شبه مستقر في حالة 2S ومتوسط عمره 1.1 مكـs. فإن تم تخليقه من حالة مستثارة فإنها تنخفض بسرعة إلى الحالة الدنيا حيث يحصل الإفناء بسرعة أكبر. وقد استخدمت اختبارات الدقة لكهروديناميكا كمية لقياس متوسط الأعمار ومستويات طاقة البوزيترونيوم.

ويمكن حدوث الإفناء عبر عدة قنوات، جميع منها تنتج واحد أوأكثر من أشعة غاما. ويحتاج لإنتاج أشعة غاما طاقة اجمالية قدرها 1022 keV (لأن جميع جسيم يفنى له كتلة 511 )، والأكثر احتمالا لقنوات الإفناء حتى تنتج فوتونين أوثلاث، اعتمادا على تشكيل اللف النسبي للإلكترون والبوزترون. وتحلل فوتون مفرد غير ممكن إلا إذا كان هناك جسم آخر (مثل الإلكترون) مجاورا لإبادة البوزترونيوم بحيث يمكن نقل بعض الطاقة الناتجة من عملية الإفناء. وقد تم ملاحظة ما يصل إلى خمسة من أشعة غاما افنين في التجارب المختبرية، مؤكدا التسقطات ان كهروديناميكا كمية ذات مستوى رفيع جدا.

ويمكن التحلل إلى زوج من النيترينووضديده، ولكن احتمال هذا التسقط ضئيلة جدا. فنسبة التفرع لتحلل o-Ps لتلك القناة هي 6.2×10⁻¹⁸ (لزوج إلكترون نيترينوومضاد النيترينو) و9.5×10⁻²¹ (لغير نكهات الإلكترون) حسب تنبؤات تعتمد على أساس النموذج القياسي ولكن ويمكن زيادتها حسب خصائص النيترينوغير القياسية، مثل الكتلة أوالعزم المغناطيسي المرتفع نسبيا. حدود التجريبية العليا على نسبة التفرع لهذا التحلل (فضلا عن الانحلال إلى أي من الجزيئات "غير مرئية") هي: 4.3×10⁻⁷ ‏(p-Ps) و4.2×10⁻⁷‏ (o-Ps)‏.

مستويات الطاقة

بينما تستخدم معادلة بيث-سالبتر لحساب لمستويات الطاقة للبوزترونيوم بدقة، فإن التشابه بين بوزترونيوم والهيدروجين يسمح لهذا التقدير تقريبي. ومع هذا التقارب إلا إذا مستويات الطاقة تختلف بينهما بسبب وجود قيمة مختلفة للكتلة m*، المستخدمة في معادلة الطاقة

{\displaystyle E_{n =-{\frac {\mu q_{e ^{4 {8h^{2 \epsilon _{0 ^{2 {\frac {1 {n^{2 \,.

أنظر مستويات طاقة الإلكترون للاستنتاج.

{\displaystyle q_{e

{\displaystyle h

{\displaystyle \epsilon _{0

{\displaystyle \mu

فالكتلة المخفضة في تلك الحالة هو

{\displaystyle \mu ={{m_{e m_{p \over {m_{e +m_{p ={\frac {m_{e ^{2 {2m_{e ={\frac {m_{e {2 ,

حيث

{\displaystyle m_{e

و

{\displaystyle m_{p

هما كتلتا الإلكترون والبوزيترون على التوالي، وهما نفس الشيء بحكم تعريف الجسيمات والجسيمات المضادة.

إلى غير ذلك فإن البوزترونيوم هوكتلة مخفضة يختلف عن كتلة الإلكترون الساكنة بمعامل 2. وهذا يسبب في حتى تكون مستويات الطاقة قريبة من نصف ما في ذرة الهيدروجين.

وأخيرا فإن مستويات طاقة البوزترونيوم تكون:

{\displaystyle E_{n =-{\frac {1 {2 {\frac {m_{e q_{e ^{4 {8h^{2 \epsilon _{0 ^{2 {\frac {1 {n^{2 ={\frac {-6.8\ \mathrm {eV {n^{2 \,

أدنى مستوى لطاقة البوزترونيوم (n == 1) هو−6.8 eV، ومستوى الطاقة التالي (n == 2) فهو−1.7 eV. وتدل إشارة السالب على الحالة المقيدة . نلاحظ أيضا حتى معادلة ديراك للجسمين تتكون من جميع من مؤثر ديراك لكل نقطتين من الجسيمات المتفاعلة عن طريق تفاعل كولوم يمكن فصلها تماما في اطار مركز الزخم (النسبي) وقيمة ناتج الحالة الدنيا الذاتية تم الحصول عليها بدقة شديدة باستخدام طريقة العناصر المنتهية.

النبوءة والاكتشاف

تنبأ العالم الكرواتي ستيفان موهوروفيتشيك بوجود البوزترونيوم في منطقه في مجلة Astronomische Nachrichten في سة 1934 حيث اطلق على تلك المادة اسم الكتروم (بالإنجليزية: electrum)‏‏. ولكن مصادر أخرى نسبت الفضل إلى العالم كارل أندرسون بالتنبؤ في وجوده سنة 1932 في كالتيك. ولكن الاكتشاف المختبري كان على يد مارتن دويتش في معهد إم آي تي سنة 1951، واطلق عليه اسم بوزترونيوم.

مراقبة جزيئات ثنائي البوزترونيوم

أول ملاحظة لجزيء ثنائي البوزترونيوم - وهي جزيئات تحتوي على ذرتي بوزترونيوم - كانت بتاريخ 12 سبتمبر 2007 عن طريق ديفيد كاسيدي وألان ميلز في جامعة كاليفورنيا شاطئ النهر.

الظهور الطبيعي

تنبأ بالبوزترونيوم في حالات الطاقة العالية انقد يكون الشكل السائد للمادة في الكون في المستقبل البعيد، غن كان تحلل البروتون حقيقيا.

مصادر

↑ Karshenboim, Savely G. (2003). "Precision Study of Positronium: Testing Bound State QED Theory". International Journal of Modern Physics A [Particles and Fields; Gravitation; Cosmology; Nuclear Physics]. 19 (23): 3879–3896. arXiv:hep-ph/0310099. doi:10.1142/S0217751X04020142.
^ A. Badertscher; et al. (2007). "An Improved Limit on Invisible Decays of Positronium". فيزيكال ريفيو. 75 (3): 032004. arXiv:hep-ex/0609059. Bibcode:2007PhRvD..75c2004B. doi:10.1103/PhysRevD.75.032004. Explicit use of et al. in: |author= (مساعدة)
↑ Czarnecki, Andrzej; Karshenboim, Savely G. (1999). "Decays of Positronium". B.B. Levchenko and V.I. Savrin (eds.), Proc. of the th International Workshop on High Energy Physics and Quantum Field Theory (QFTHEP, Moscow , MSU-Press 2000, pp. 538 - 544. 14 (99). arXiv:hep-ph/9911410.
^ Rubbia, A. (2004). "Positronium as a probe for new physics beyond the standard model". International Journal of Modern Physics A [Particles and Fields; Gravitation; Cosmology; Nuclear Physics]. 19 (23): 3961–3985. arXiv:hep-ph/0402151. doi:10.1142/S0217751X0402021X.
^ Vetter, P.A.; Freedman, S.J. (2002). "Branching-ratio measurements of multiphoton decays of positronium". Physical Review A. 66 (5): 052505. Bibcode:2002PhRvA..66e2505V. doi:10.1103/PhysRevA.66.052505.
^ Badertscher, A. (2007). "Improved limit on invisible decays of positronium". فيزيكال ريفيوD. 75 (3): 032004–1–10. arXiv:hep-ex/0609059. Bibcode:2007PhRvD..75c2004B. doi:10.1103/PhysRevD.75.032004.
^ Scott, T.C.; Shertzer, J.; Moore, R.A. (1992). "Accurate finite element solutions of the two-body Dirac equation". Physical Review A. 45 (7): 4393–4398. Bibcode:1992PhRvA..45.4393S. doi:10.1103/PhysRevA.45.4393. PMID 9907514.
^ Mohorovičić, S. (1934). "Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik". Astronomische Nachrichten. 253 (4): 94. doi:10.1002/asna.19342530402.
↑ "Martin Deutsch, MIT physicist who discovered positronium, dies at 85" (Press release). MIT. 2002. مؤرشف من الأصل فيستة نوفمبر 2013.
^ Cassidy, D.B.; Mills, A.P. (Jr.) (2007). "The production of molecular positronium". تخصصر (مجلة). 449 (7159): 195–197. Bibcode:2007Natur.449..195C. doi:10.1038/nature06094. PMID 17851519. ضع ملخصا.
^ "Molecules of positronium observed in the lab for the first time". فيز (مسقط). مؤرشف من الأصل في 17 يناير 2012. اطلع عليه بتاريخ 07 سبتمبر 2007.
^ A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects, Fred C. Adams and Gregory Laughlin, Reviews of Modern Physics 69, #2 (April 1997), pp. 337–372. بيب كود: 1997RvMP...69..337A. doi:10.1103/RevModPhys.69.337 أرشيف خي:astro-ph/9701131 .

وصلات خارجية

The Search for Positronium
Obituary of Martin Deutsch, discoverer of Positronium
Website about positrons, positronium and antihydrogen. Positron Laboratory, Como, Italy