Positronium

* Onia
* Wasserstoffähnliche

Positronium (Ps) ist ein Atom, das aus einem Elektron und seinem Antiteilchen, einem Positron, besteht, die als Onium gebunden sind. Das System ist instabil: Die beiden Teilchen vernichten sich gegenseitig und erzeugen dabei hauptsächlich zwei oder drei Gammastrahlen, je nach den relativen Spin-Zuständen. Die Energieniveaus der beiden Teilchen ähneln denen des Wasserstoffatoms (das ein gebundener Zustand aus einem Proton und einem Elektron ist). Aufgrund der geringeren Masse sind die Frequenzen der Spektrallinien jedoch weniger als halb so hoch wie die der entsprechenden Wasserstofflinien.

### Bildung und Zerfall in Materialien

Nach dem β+-Zerfall eines radioaktiven Atoms in einem Material (Positronenemission) wird das dabei entstehende hochenergetische Positron durch Kollisionen mit Atomen abgebremst und annihiliert schließlich mit einem der vielen Elektronen im Material. Vor der Annihilation kann es jedoch zunächst Positronium bilden. Das Verständnis dieses Prozesses ist für die Positronen-Emissions-Tomographie von einiger Bedeutung. Approximately:[11][12]

* ~60 % der Positronen werden direkt mit einem Elektron annihilieren, ohne Positronium zu bilden. Die Annihilation führt in der Regel zu zwei Gammastrahlen. In den meisten Fällen erfolgt diese direkte Annihilation erst, nachdem das Positron seine überschüssige kinetische Energie verloren hat und mit dem Material thermisch verbunden ist.
* ~10 % der Positronen bilden Para-Positronium, das dann rasch (in ~0,12 ns) zerfällt, normalerweise in zwei Gammastrahlen.
* ~30 % der Positronen bilden Ortho-Positronium, das dann aber innerhalb weniger Nanosekunden vernichtet wird, indem es ein anderes Elektron in der Nähe mit entgegengesetztem Spin "abgreift". Dabei entstehen in der Regel zwei Gammastrahlen. Während dieser Zeit weist das sehr leichte Positronium-Atom eine starke Nullpunktsbewegung auf, die einen Druck ausübt und in der Lage ist, eine winzige, nanometergroße Blase in das Medium zu drücken.
* Nur ~0,5 % der Positronen bilden Ortho-Positronium, das von selbst zerfällt (normalerweise in drei Gammastrahlen). Diese natürliche Zerfallsrate von ortho-Positronium ist im Vergleich zum oben erwähnten Pick-off-Prozess relativ langsam (~140 ns Zerfallsdauer), weshalb der Drei-Gamma-Zerfall selten auftritt.

### Geschichte

Stjepan Mohorovičić sagte die Existenz von Positronium in einem 1934 in den Astronomischen Nachrichten veröffentlichten Artikel voraus, in dem er es als "Elektrum" bezeichnete. In anderen Quellen wird fälschlicherweise Carl Anderson zugeschrieben, der seine Existenz 1932 während seiner Zeit am Caltech vorhersagte. Es wurde 1951 von Martin Deutsch am MIT experimentell entdeckt und wurde als Positronium bekannt. In vielen nachfolgenden Experimenten wurden seine Eigenschaften genau gemessen und die Vorhersagen der Quantenelektrodynamik überprüft. Es gab eine Diskrepanz, die als das Rätsel der Lebensdauer von Ortho-Positronium bekannt wurde und die eine Zeit lang andauerte, aber schließlich durch weitere Berechnungen und Messungen gelöst werden konnte. Die Messungen waren fehlerhaft, weil die Lebensdauer von nicht-thermalisiertem Positronium gemessen wurde, das nur in geringem Umfang erzeugt wurde. Dies hatte zu lange Lebensdauern zur Folge. Außerdem sind Berechnungen mit Hilfe der relativistischen Quantenelektrodynamik schwierig durchzuführen, so dass sie nur bis zur ersten Ordnung durchgeführt wurden. Korrekturen, die höhere Ordnungen betrafen, wurden dann in einer nichtrelativistischen Quantendynamik berechnet.

### Molekulare Verbindungen

Molekulare Bindungen wurden für Positronium vorhergesagt. Moleküle aus Positroniumhydrid (PsH) können hergestellt werden. Positronium kann auch ein Cyanid bilden und Bindungen mit Halogenen oder Lithium eingehen.

Die erste Beobachtung von Di-Positronium-Molekülen (Ps2) - Moleküle, die aus zwei Positronium-Atomen bestehen - wurde am 12. September 2007 von David Cassidy und Allen Mills von der University of California, Riverside, gemeldet.

### Natürliches Vorkommen

Die Ereignisse im frühen Universum, die zur Baryonenasymmetrie führten, liegen etwa eine Drittelmillion Jahre vor der Bildung von Atomen (einschließlich exotischer Arten wie Positronium), so dass damals keine Positroniumatome entstanden.

Auch die heute natürlich vorkommenden Positronen sind das Ergebnis hochenergetischer Wechselwirkungen, z. B. zwischen kosmischer Strahlung und Atmosphäre, und daher zu heiß (thermisch energetisch), um vor der Annihilation elektrische Bindungen zu bilden.

Es wurde vorhergesagt, dass Positronium in sehr schwach gebundenen (extrem großen n) Zuständen in ferner Zukunft die vorherrschende Form der atomaren Materie im Universum sein wird, wenn der Protonenzerfall eintritt. Obwohl sich Positronen und Elektronen, die beim Zerfall der Materie übrig bleiben, anfangs viel zu schnell bewegen würden, um sich miteinander zu verbinden, verlangsamt die Expansion des Universums freie Teilchen so sehr, dass ihre kinetische Energie schließlich (in 1085 Jahren, wenn Elektronen und Positronen typischerweise 1 Quintillion Parsec voneinander entfernt sind) tatsächlich unter das Coulomb-Anziehungspotenzial fällt und sie somit schwach gebunden sind (Positronium). Die daraus resultierenden schwach gebundenen Elektronen und Positronen bewegen sich spiralförmig nach innen und vernichten sich schließlich mit einer geschätzten Lebensdauer von 10141 Jahren.

### Quellen

Englisches Wikipedia - Positronium: https://en.wikipedia.org/wiki/Positronium