[科普中国]-正电子素

简介

当一个已热化的正电子和一个电子碰撞时，有可能在发生湮没之前暂时形成一个由正电子和负电子组成的中性束缚体系(e+e-)，即称为正电子素，以Ps表示。它可以看作类原子或最简单的氢。有两种正电子素，一种是正态o-Ps，e+与e-自旋平行，另一种是仲态，p-Ps，自旋反平行。正态Ps的湮没平均寿命为10^(-7)s(长寿命三重态)而仲态为10^(-10)s(单态)。正电子素可以进行电子缀拾过程，自旋转换过程以及某些化学反应过程。正态Ps可与基质分子发生如氧化、还原以及化合物生成等化学反应。

由于电子和正电子最终会湮灭产生光子，电子偶素的半衰期是很短的。根据电子与正电子自旋状态的不同，电子偶素主要分为两种。单态(S0，自旋相反，总自旋为0)即仲电子偶素(para-positronium，简记为p-Ps)，三重态(S1，自旋同向,总自旋为1)即正电子偶素(ortho-positronium，简记为o-Ps)。在真空中，单态的电子偶素半衰期为125ps，之后湮灭产生两个光子(511keV)；三重态电子偶素半衰期为142ns，湮灭产生三个光子，有时会产生多个光子。光子总能量为1022keV，即电子和正电子的总质量。

在介质中，三重态电子偶素的半衰期会相应变化，这就给人们提供了研究物质性质的一种手段。利用正电子或电子偶素研究物质内部性质已经成为一个应用非常广泛的学科。它主要利用电子偶素在介质中的湮灭时间谱图(Positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS)的拟合为测量手段，而且是一种非破坏性的方法。

自旋单态与三重态正电子素质量为1.022MeV，是电子质量的两倍减去几个电子伏特的结合能。 正电子素的基态如氢的基态具有取决于电子和正电子的自旋的相对取向的两种可能。

单态，反平行自旋（S = 0，Ms = 0）被称为对 - 正电子（p-Ps）。 它具有0.125纳秒（ns）的平均寿命，并优先衰减为两个γ射线，每个能量为511keV（在质心中心）。通过检测这些光子，可以发现衰变的位置。 该过程用于正电子发射断层扫描。 对位正电子可以衰减到任何偶数光子（2,4,6，...），但是概率随着数量急剧下降：衰减为4个光子的分支比为1.439(2)×10^(-6)。1

真空中的正电子寿命约为 1

具有平行自旋（S = 1，Ms = -1,0,1）的三重态，被称为邻正电子（o-Ps）。平均寿命为142.05±0.02ns，2，主要衰减为三个伽马射线。其他衰变模式可以忽略不计;例如，五光子模式的分支比为〜1.0×10^(-6)。3

真正的正电子寿命可以大致计算如下：3

然而，对于O（α2）的校正进行更精确的计算，对于衰减率产生7040ns的值，对应于142ns s的寿命。45

2S状态的正电子是亚稳态的，具有1100ns的寿命，以防止湮灭。在这种激发状态下产生的正电子将迅速联到基态，其中湮灭将更快地发生。

自然发生如果质子衰减是现实，高能态的正电子素将被预测为未来宇宙中原子物质的主要形式。6