ポジトロニウム

ポジトロニウム (Positronium)

ポジトロニウム（Ps）は、電子と陽電子が電気的に束縛された状態にある、エキゾチック原子の一種です。古典的な原子模型では、電子と陽電子が共通の重心を中心にお互いを回転しているとイメージできます。物質に陽電子を照射すると、通常は電子と対消滅してガンマ線を放出しますが、絶縁体中では準安定状態としてポジトロニウムを形成する割合が高くなります。

特徴

ポジトロニウムは、質量が電子の2倍と非常に軽い原子です。電子の換算質量が水素原子のほぼ半分であるため、ボーア半径は水素原子の2倍の106pm、イオン化エネルギーは半分で6.8eVとなります。

ポジトロニウムには、電子と陽電子のスピンの向きによって、パラポジトロニウム (p-Ps) とオルトポジトロニウム (o-Ps) の2種類が存在し、それぞれ異なる性質を持ちます。

パラポジトロニウム (p-Ps): 電子と陽電子のスピンの向きが逆向きで、スピン量子数はs=0です。真空中の寿命は125ピコ秒で、消滅して2つの光子になります。
オルトポジトロニウム (o-Ps): スピンの向きが揃っており、スピン量子数はs=1です。磁場がない状態ではm=-1,0,1の3つの状態が縮退しており、磁場があると分離します。寿命は142ナノ秒と比較的長く、消滅すると3つの光子になります。

p-Psの方がエネルギー状態は低いですが、その差はわずかであり、生成比は状態数に比例して1:3となります。

ポジトロニウム原子間には、電子間の交換相互作用により斥力が働きます。そのため、物質中では原子間の隙間に存在し、空孔型欠陥があるとそこに捕捉されます。場合によっては、ポジトロニウム自体が空孔を作り、その中に留まることもあります。空孔のサイズが大きいほど寿命が長くなることが知られています。

歴史

1934年、クロアチアの科学者ステパン・モホロビチッチがポジトロニウムの存在を予言し、"electrum"と名付けました。また、1932年にカール・デイヴィッド・アンダーソンも予言したという資料もあります。実験的には、1951年にマーティン・ドイッチュによって発見され、ポジトロニウムとして知られるようになりました。その後、多くの実験が行われ、その性質が精密に測定されました。測定値と量子電磁力学 (QED) による予測値との比較検証が行われましたが、「オルソポジトロニウムの寿命問題」として知られる食い違いが明らかになりました。その後の計算と測定により、この問題は解決されました。原因は、生成速度が遅く熱平衡に達しないポジトロニウムを寿命測定に用いたことによる誤差と、相対論的QEDを用いた計算が一次近似までしか行われていなかったことでした。

ポジトロニウムの反応

特に寿命の長いo-Psは、物質中で様々な反応を起こします。これは、o-Ps中の陽電子が、自己消滅よりも物質中の電子との対消滅によって失われやすいことと、ポジトロニウム自体が不対電子を持つフリーラジカルとして振る舞うことに起因します。

ピックオフ消滅

ポジトロニウムが他の原子と衝突した際、ポジトロニウム中の陽電子の波動関数が衝突相手の原子の電子の波動関数と重なりを持つと対消滅が起こり、ポジトロニウムは消滅します。この確率は、衝突頻度が高いほど高くなります。

スピン交換

物質を構成する分子が不対電子を持つ場合、ポジトロニウム中の電子は、物質中の電子とスピンを入れ替えることがあります。これによりo-Psがp-Psに変化し、短い寿命で消滅します。

化学反応

ポジトロニウムは水素原子と同様に、酸化反応や化合物生成などの化学反応を起こすことができます。酸化されると電子を奪われ、陽電子だけが残ります。

ポジトロニウムの形成メカニズム

Oreモデル

最も初期に提唱されたモデルで、エネルギーを持った陽電子が原子から電子を引き抜くというものです。希ガス中での形成をよく説明しますが、多原子分子や凝集相中での形成は上手く説明できません。

スパー反応モデル

ポジトロニウムの利用

（内容省略）

関連項目

陽電子
異種原子
オニウム
物性物理学

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