Positrónio

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Um elétron e um pósitron orbitando ao redor de um centro de massa comum formando a estrutura conhecida como positrônio.

Positrônio (Ps) é um sistema consistindo de um elétron e a sua anti-partícula, um pósitron, unidos em um "átomo exótico". O sistema é instável, a duas anti-partículas se auto aniquilam e produzem 2 raios gama(fótons) depois de uma vida média de 125 picossegundos ou três raios gamas depois de 142 nanossegundos no vácuo, dependendo do estados relativos dos spins do elétron e pósitron. A órbita das duas partículas e o nível de energia é similar ao do átomo de hidrogênio(életron-próton). Contudo, por causa da massa reduzida, as frequências associadas com as linhas espectrais são de menos da metade das suas correspondentes no átomo de hidrogênio.

Estados[editar | editar código-fonte]

O estado fundamental do positrônio, assim como o do hidrogênio, têm duas configurações possíveis dependendo das orientações relativas dos spins do elétron e do pósitron.

O estado singleto que com os antiparalelos spins (S = 0, Ms = 0) é conhecido como para-positrônio (p-Ps) e denota 1
S
0
.Ele tem uma vida média de 125 picossegaudnso e decais preferencialmente em dois raios gamas com energia de 511 KeV cada (no centro de moldura de massa). A detecção destes fótons permite a reconstrução do vértice de degradação e é usado na tomografia de emissão de pósitron. Para-positrônio pode decair em qualquer número de fótons (2, 4, 6, ...), mas a probabilidade diminui muito com o aumento do número: o rácio de ramificação para o decaimento com 4 fótons é de 1,439 (2) × 10 −6.[1]

A vida média do para-positrônio (S = 0):[1]

O estado tripleto com os spins paralelos (S = 1, Ms = −1, 0, 1)é conhecido como ort0-positrônio (o-Ps) e denotado como 3S1. O estado tripleto no vácuo têm uma vida média de 142.05±0.02 ns[2] a forma mais comum de decaimento é produzindo três fótons. Outras formas de decaimentos são negligenciáveis; por exemplo o modo de decaimento produzindo cinco fótons tem razão de ramificação de 1 x 10−6.[3]

Tempo de vida do orto-positrônio (S = 1):[1]

Positrônio no estado 2S é um metaestado tendo um tempo de vida de 1,1 Ms contra autoaniquilação.[carece de fontes?] Se o positrônio é criado nesse estado excitado, ele vai rapidamente decair para o estado fundamental e então vai decair de forma mais rápida. Medidas desses tempos de vida, como os do nível de energia do positrônio,têm sido usados em testes de precisão da eletrodinâmica quântica.[1][4]

Aniquilação pode prosseguir através de um certo número de canais, cada um produzindo um ou mais raios gama . Os raios gama são produzidos com uma energia total de 1,022 keV (tendo cada uma das partículas uma massa de 511 keV/c2), os canais de aniquilação mais prováveis produzem dois ou três fótons, dependendo da configuração da rotação relativa do electrão e pósitron. Um único decaimento de fotões só é possível se um outro corpo (por exemplo, um electrão ) se encontrar na proximidade do positrônio aniquiladora para que uma parte da energia do evento de aniquilação possa ser transferida. Até cinco raios gama de aniquilação foram observados em experimentos de laboratório,,[5] confirmando a previsão da eletrodinâmica quântica de alta ordem.

A aniquilação em um par neutrino-antineutrino também pe possível, mas a probabilidade prevista pe negligenciável. A razão de ramificação para o decaimento o-Ps para esta canal é de 6.2×10−18 (par neutrino de elétronantineutrino de elétron) e 9.5 −21 (para cada sabor não-elétron)[3] em previsões baseadas no modelo padrão,mas isso pode ser aumentada por propriedades de neutrino fora do padrão, como massa ou o relativo alto momento magnético. Os limites experimentais superiores para esta probabilidade(como para todo decaimento para qualquer partículas "invisíveis") são: 4.3 x 10−7 (p-Ps) e 4,2 x 10−7 (o-Ps).[6]

Níveis de energia[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: modelo de bohr

Enquanto que o cálculo dos níveis de energia do positrônio de forma precisa usa a equação de Bethe-Salpeter, a similaridade entre o positrônio e o hidrogênio permite uma estimativa aproximada. Nessa aproximação, os níveis de energia são diferentes entre os dois devido a diferença no valor da massa, m*, usada na equação de energia.

veja níveis de energia eletrônico para uma derivação
é a magnitude de carga do elétron (o mesmo do pósitron)
is constante de Planck
é a constante elétrica (também conhecida como permissividade de espaço livre) e finalmente
é a massa reduzida

A massa reduzida nesse caso é:

where
and são, respectivamente, a massa do elétron e do pósitron que são a mesma pela definição de partículas e antipartículas.

Assim, para o positrônio, a sua massa reduzida apenas difere do resto da massa do elétron por um fator de 2. Isso também faz com que os níveis energia sejam a metade do que eles são no átomo de hidrogênio.

Então finalmente, os níveis de energia do positrônio são dados por:

O menor nível de energia do positrônio (n = 1) é −6.8 elétron volts (eV). O próximo menor nível de energia é (n = 2) is −1.7 eV. O negativo sinal implica um estado fundamental. Nós também notamos que um dois-corpos de equação de Dirac compostas por um operador Dirac para cada uma das duas partículas interagindo via a lei de Coulomb podem ser exatamente separadas na (relavística) centro de estrutura dinâmica e resultar num estado fundamental podem ser obtidos usando o método de elementos finitos de J. Shertzer. A equação de Dirac cujo hamiltoniano compreende duas partículas Dirac e um potencial estático de Coulomb não é relativisticamente invariante. Mas se ocorre uma adição 1/c^(2n) (ou alfa^2n onde alfa é o coeficiente de estrutura fina que é de cerca de 1/137) onde contribuições são n=1,2,3, ... para o hamiltoniano então o resultado é relativisticamente invariante no limite.Então apenas o termo liderante no hamiltoniano é incluído. O próximo 1/c^2 (ou alfa^2) contribuição são termos breit: trabalhadores raramente vão para 1/c^4 (ou alfa^4) porque no alfa^3*log(alfa), tem-se o deslocamento de Lamb (que é um cálculo detalhado necessitando da eletrodinâmica quântica)[7]

Previsão e descoberta[editar | editar código-fonte]

O cientista croata Stjepan Mohorovičić previu a existência da partícula positrônio em 1934 em um artigo publicado no Astronomische Nachrichten, em que ele chama a substância de "electrum".[8] Outras fontes creditamCarl David Andersoncomo tendo previsto a sua existência em 1932 enquanto ainda estava trabalhando na Calltech[9] Elel foi experimentalmente descoberto por Martin Deutsch no MIT em 1951,e ficou conhecido como positrônio.[9]

Observação de moléculas de di-positrônio[editar | editar código-fonte]

A primeira observação de uma molécula de di-positrônio consistindo de dois átomos de positrônio foi reportada em 12 de setembro de 2007 por David Cassidy e Aleen Mills da University of California at Riverside.[10][11]

Ocorrência natural[editar | editar código-fonte]

Positrônio em altos estados de energia tem sido previstos para serem a forma dominante de matéria atômica no universo em um futuro muito distante, se o decaimento do próton se tornar uma realidade.[12]

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. a b c d 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. Bibcode:2004IJMPA..19.3879K. arXiv:hep-ph/0310099Acessível livremente. doi:10.1142/S0217751X04020142 
  2. A. Badertscher; et al. (2007). «An Improved Limit on Invisible Decays of Positronium». Physical Review D. 75 (3). 032004 páginas. Bibcode:2007PhRvD..75c2004B. arXiv:hep-ex/0609059Acessível livremente. doi:10.1103/PhysRevD.75.032004 
  3. a b Czarnecki, Andrzej; Karshenboim, Savely G. (2000). Levchenko, B.B.; Savrin, V.I., eds. «Decays of Positronium». Moscow: MSU-Press. Proceedings of the International Workshop on High Energy Physics and Quantum Field Theory (QFTHEP). 14 (99): 538–544. Bibcode:1999hep.ph...11410C. arXiv:hep-ph/9911410Acessível livremente 
  4. 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. Bibcode:2004IJMPA..19.3961R. arXiv:hep-ph/0402151Acessível livremente. doi:10.1142/S0217751X0402021X 
  5. Vetter, P.A.; Freedman, S.J. (2002). «Branching-ratio measurements of multiphoton decays of positronium». Physical Review A. 66 (5). 052505 páginas. Bibcode:2002PhRvA..66e2505V. doi:10.1103/PhysRevA.66.052505 
  6. Badertscher, A.; et al. (2007). «Improved limit on invisible decays of positronium». Physical Review D. 75 (3): 032004–1–10. Bibcode:2007PhRvD..75c2004B. arXiv:hep-ex/0609059Acessível livremente. doi:10.1103/PhysRevD.75.032004 
  7. 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. PMID 9907514. doi:10.1103/PhysRevA.45.4393 
  8. Mohorovičić, S. (1934). «Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik». Astronomische Nachrichten. 253 (4). 94 páginas. doi:10.1002/asna.19342530402 
  9. a b «Martin Deutsch, MIT physicist who discovered positronium, dies at 85» (Nota de imprensa). MIT. 2002 
  10. Cassidy, D.B.; Mills, A.P. (Jr.) (2007). «The production of molecular positronium». Nature. 449 (7159): 195–197. Bibcode:2007Natur.449..195C. PMID 17851519. doi:10.1038/nature06094. Resumo divulgativo 
  11. «Molecules of positronium observed in the lab for the first time». Physorg.com. Consultado em 7 de setembro de 2007 
  12. 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. Bibcode1997RvMP...69..337A. doi:10.1103/RevModPhys.69.337 Arxiv.

Ligações externas[editar | editar código-fonte]