Positronium: uitleg en eigenschappen van het elektron-positronatoom

Ontdek Positronium: wat het is, de eigenschappen van het elektron-positronatoom, levensduur, vervalmechanismen en toepassingen in de fysica.

Positronium is een onium, een type exotisch atoom dat bestaat uit een deeltje en zijn antideeltje. In positronium zijn één positron en één elektron aan elkaar gebonden. Het positron vervangt het proton dat normaal aanwezig zou zijn in een waterstofatoom, maar omdat beide deeltjes dezelfde massa hebben, verschillen veel eigenschappen duidelijk van gewoon waterstof: elektron en positron bewegen om een gemeenschappelijk massamiddelpunt en zitten vaak in dezelfde baan. Positronium is onstabiel; enkele nanoseconden tot honderden nanoseconden na het ontstaan wordt het vernietigd door annihilatie en ontstaan er gammastralen (fotonen) met typische energieën rond 511 keV per foton.

Basis eigenschappen

• Massaverhouding en grootte: omdat zowel het elektron als het positron dezelfde massa m_e hebben, is de gereduceerde massa μ = m_e/2. Dat leidt tot een Bohr-achtige structuur met een Bohrstraal die ongeveer twee keer zo groot is als die van waterstof: a_Ps ≈ 2 a_0 ≈ 1,06 Å (a_0 ≈ 0,529 Å).
• Bindingsenergie: de grondtoestand van positronium heeft ongeveer de helft van de bindingsenergie van waterstof, dus E_bind ≈ 13,6 eV / 2 ≈ 6,8 eV.
• Elektrische lading en leptongetal: positronium is elektrisch neutraal en het totale leptongetal is nul (een elektron en een positron samen).

Spinstaten en annihilatiekanalen

Positronium kan voorkomen in twee spinconfiguraties, die sterk verschillend gedrag geven bij annihilatie:

• Parapositronium (p-Ps, singlet, S = 0): de spins van elektron en positron zijn antiparallel. Deze toestand heeft positieve C-pariteit en gaat vooral via annihilatie naar twee fotonen. In vacuüm is de levensduur kort: τ_p ≈ 1,25×10⁻¹⁰ s (ongeveer 125 ps). De twee fotonen hebben elk ongeveer 511 keV energie en worden in tegengestelde richting uitgezonden om impuls te behouden.
• Orthopositronium (o-Ps, triplet, S = 1): de spins zijn parallel. Deze toestand heeft negatieve C-pariteit en kan niet in twee fotonen annihileren; de dominante kanaal is drie fotonen. De levensduur in vacuüm is veel langer: τ_o ≈ 1,42×10⁻⁷ s (ongeveer 142 ns). De drie fotonen delen de totale energie (totale beschikbare energie ≈ 1022 keV) en geven een continu spectrum tot 511 keV voor elk foton.

Vorming en invloed van de omgeving

• Vorming: positronium ontstaat wanneer een positron in materie afremt (door botsingen) en een valentie- of vrije elektron opvangt. De kans op vormen en de verdeling tussen p-Ps en o-Ps hangt af van de omgeving en de energie van het positron.
• Invloed van materialen: in vaste stoffen en vloeistoffen kan de levensduur van orthopositronium sterk afnemen door zogenaamde “pick-off” annihilatie: het positron annihileert met een ander elektron uit de omgeving, vaak resulterend in twee-foton processen en kortere levensduur. Daarom wordt positronium gebruikt als probe om porositeit en defecten in materialen te bestuderen.

Observatie en toepassingen

• Positronemissietomografie (PET): in medische beeldvorming ontstaan positronen bij radioactieve vervalprocessen; directe annihilatie (meestal twee 511 keV fotonen) wordt gebruikt om de bronlocatie te reconstrueren. Hoewel PET niet primair positronium detecteert, speelt annihilatie van positronen dezelfde fysische processen.
• Materiaalonderzoek: positron annihilatie lifetime spectroscopy (PALS) gebruikt de levensduur van positronium (vooral o-Ps) om informatie te krijgen over poreuze structuren, defecten en orgaanische polymeren.
• Fundamenteel onderzoek: precisie-metingen van energieniveaus en levensduren van positronium leveren strenge tests van gebonden-staat quantum-elektrodynamica (QED). Vergelijking tussen theorie en experiment zoekt naar kleine afwijkingen die nieuwe fysica zouden kunnen aanwijzen.

Exotische varianten en onderzoeksthema's

• Di-positronium (Ps2): het vier-deeltjessysteem bestaande uit twee elektronen en twee positronen (Ps2) is experimenteel waargenomen en gedemonstreerd als een gebonden molecule; onderzoek naar zulke systemen helpt bij begrip van meerdeeltjessystemen in QED.
• Spektroscopie en nauwkeurigheidsmetingen: metingen van hyperfijnsplitsing, Lamb-shifts en annihilatietijdafwijkingen worden gebruikt om de berekeningen uit QED te verifiëren tot hoge precisie.
• Zoeken naar nieuwe effecten: men onderzoekt onder andere of positronium zich precies volgens de standaardmodellen gedraagt, en of er aanwijzingen zijn voor afwijkingen (bijv. door onbekende krachten of de invloed van donkere sectoren).

Belangrijke behoudswetten

Bij annihilatie van positronium gelden dezelfde behoudswetten als altijd: energie, impuls, totaalspin en discrete symmetrie-eigenschappen (zoals C-pariteit) moeten behouden blijven, wat de selectie van twee- of drie-fotonprocessen bepaalt. In materie kunnen extra processen optreden die de effectieve levensduur en het aantal gefragmenteerde fotonen wijzigen.

Positronium is daarmee zowel een helder conceptueel voorbeeld van een gebonden deeltje–antideeltje-systeem als een praktisch instrument in materiaalwetenschap en medische beeldvorming, en vormt een belangrijke testbank voor de principes van QED.

Zoek op letter