Positronium

Positronium $e^{-}e^{+}\!\,$ ist ein exotisches Atom, das aus einem Elektron $e^{-}\!\,$ und seinem Antiteilchen, dem Positron $e^{+}\!\,$, 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 geringe Lebensdauer hat. Parapositronium zerfällt mit einer mittleren Lebensdauer von 0,125 ns in zwei Photonen. 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.

Zur Berechnung des Radius im Grundzustand genügt das Bohrsche Atommodell:

$r=n^{2}{\frac {4\pi \varepsilon _{0}\hbar ^{2}}{\mu e^{2}}}=0{,}106\,{\textrm {nm}}\qquad {\textrm {mit}}\qquad n=1$ (Hauptquantenzahl)$\qquad {\textrm {und}}\qquad \mu ={\frac {m_{e}m_{p}}{m_{e}+m_{p}}}={\frac {m_{e}}{2}}\,\,\,$

($m_{e}$ ist die Masse des Elektrons, $m_{p}$ die Masse des Positrons).

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

Positronium kann ebenfalls durch eine besondere Form der Zwei-Körper-Dirac-Gleichung behandelt werden. Ein System von zwei Punktteilchen mit Coulomb-Wechselwirkung lässt sich im (relativistischen) Impulsraum exakt separieren. Die resultierende Grundzustandsenergie ist von J. Shertzer mit einer Finite-Elemente-Methode sehr genau berechnet worden.

Die Dirac-Gleichung mit einem Hamilton-Operator für zwei Dirac-Teilchen und einem statischen Coulomb-Potential ist nicht relativistisch invariant. Fügt man jedoch die Terme mit $1/c^{2n}$, $n=1,2\ldots$, hinzu (oder $\alpha ^{2n}$, wobei $\alpha$ die Feinstrukturkonstante ist), so ist das Ergebnis relativistisch invariant. Nur der führende Term wird berücksichtigt. Der Beitrag zur Ordnung $\alpha ^{2}$ ist der Breit-Term; der Term zur Ordnung $\alpha ^{4}$ wird jedoch selten verwendet, weil in Ordnung $\alpha ^{3}$ bereits der Lamb-Shift auftritt, welcher Quantenelektrodynamik erfordert.

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 2007 von David Cassidy und Allen Mills erstmals experimentell hergestellt und nachgewiesen werden.

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.

Jiang und Schrader sagten 1998 auf der Grundlage von Quanten-Monte-Carlo-Simulationen vorher, dass positronisches Wasser zwar existieren könne, jedoch chemisch nicht so stabil wie normales Wasser sei, da die Bindungsenergie nur etwa 30 % so groß sei.

In der Praxis wurde positronisches Wasser bislang noch nicht hergestellt.

Literatur

• 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. Band 449, S. 195, doi:10.1038/nature06094. 

Weblinks

Wiktionary: Positronium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Presse-Information der Max-Planck-Gesellschaft über Positronium-Ionen