Positronium

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Positronium e^-e^+\!\, ist ein exotisches Atom, das aus einem Elektron e^-\!\, und seinem Antiteilchen, dem Positron e^+\!\,, besteht. Anschaulich ist es ein Wasserstoffatom, bei dem das Proton des Atomkerns durch ein Positron ersetzt wurde.

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 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:

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}

Dies entspricht dem doppelten Radius der Elektronenschale des Grundzustandes des Wasserstoffatoms (m_e ist die Masse des Elektrons und m_p die Masse des Positrons).

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

Positronisches Wasser[Bearbeiten]

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

Die Möglichkeit der Existenz von positronischem Wasser wurde erstmals 1998 von Physikern der amerikanischen Marquette University veröffentlicht. Auf der Grundlage von Monte-Carlo-Simulationen sagten sie vorher, dass positronisches Wasser zwar durchaus existieren kann, jedoch chemisch nicht so stabil wie normales Wasser ist, da die Bindungsenergie nur etwa 30 % so groß ist. Außerdem wird eine Annihilationsrate von 4,6 ns−1 vorhergesagt.

In der Praxis wurde positronisches Wasser bislang noch nicht hergestellt.

Literatur[Bearbeiten]

  • 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 3519230798.
  • D. B. Cassidy, A. P. Mills Jr.: The production of molecular positronium. In: Nature. 449, 2007, S. 195–197 (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.. 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.. 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[Bearbeiten]