文档介绍：正电子湮没技术
-原理、实验方法及应用
概述
v 正电子湮没技术(Positron Annihilation
Technique,简称PAT)是一门六十年代迅速发展起来
的新学科。
v 通过测量正电子与材料中电子湮没时所发射出的γ
射线的角度、能量以及正电子与电子湮没前的寿
命,来研究材料的电子结构和缺陷结构。
v 制样方法简便,适应的材料广泛,通过γ射线带出
信息有利于现场测量特点,在固体物理、材料科学
及物理冶金和化学等领域得到了越来越广泛的应
用。
正电子发展历史
v 1939年狄拉克从理论上预言正电子的存在
v 1932年安德森,hian Line从实验上观测到正电子
的存在
v 1934年MoHorovicic提出可能存在e+-e-的束缚态
v 1937年LSimon和KZuber发现e+-e-对的产生
v 1945年A. Eruark命名正电子素Positronium(Ps)
v 1945年A. Ore提出在气体中形成正电子素的Ore模型
v 1951年M. Deutsch首先从实验上证实Ps的存在
v 1953年R. E. Bell和R. L. Graham测出在固体中正电子湮没的复杂谱
v 1956年R. A. Ferrell提出在固体和液体中形成Ps的改进后的Ore模型;
广泛研究了正电子在固体中的湮没
v 1974年O. E. Mogensen提出形成Ps的激励团模型(Spur Model)
v 1974年S. L. Varghese和E. S. Ensberq,V. W. He和I. Lindqre从n=1
用光激发而形成n=2的Ps
v 1975年K. F. Canter,A. P. MiLLs和S. Berko观测了Ps拉曼-α辐射和
n=2的精细结构。
正电子与电子湮没:2γ湮没
v 正电子与电子碰撞时会发生湮没现象,这时质量转
变成能量。
v 大多数情况下,正电子—电子对(简称为湮没对)
湮没后变成两个γ光子。
v 若湮没时湮没对静止,则根据能量守恒与动量守恒
可知,两个光子将沿180° 相反方向射出,每个光子
的能量为: 1
E = m c2 − E
0 0 2 B
式中m0电子静止质量,c为光速,EB是正电子—电
2
子之间的束缚能,一般只有eV数量级,与m0c 这一
项相比很小,通常略去不计。计算得E0约等于
511keV
正电子素
v 在气体、液体和某些固体介质中,正电子能
够束缚一个电子而形成一种短寿命的原子即
正电子素(Positronium,简写为Ps)。
v 可以认为Ps是一种最轻的原子,因为其原子
量只有氢原子的1/920。
v Ps的结构类似于氢,其原子半径约为氢的两
倍,而结合能只有氢原子的二分之一。
正电子与电子湮没:3γ湮没
v 根据正电子与电子的自旋是互相平行还是反平行,
Ps形成两种态,即三重态正正电子素(o- Ps)和单
态仲正电子素(p- Ps),这两种正电子素具有不同
的宇称。
v 由于湮没过程属电磁相互作用应满足宇称守恒,p-
Ps可以发生2γ湮没,而o- Ps只能发生3γ湮没,即
放出3个γ光子。
v 量子电动力学证明,p- Ps寿命较短,只有125ps,
但o- Ps寿命较长,在真空中为142ns。
v 对于入射的非极化正电子,自旋呈对称分布,因此
形成p-Ps与o-Ps的数目比为1:3。
3γ湮没转换为2γ湮没
v 在介质中,o-Ps原子中的正电子可以拾起
(pich-off)环境中的电子以更快的速率湮
没,即拾起湮没或碰撞湮没(pich-off
annihilation)。这导致材料中o-Ps的寿命大
大小于140ns的本征寿命而通常只有1-10ns,
所以可以利用拾起湮没追踪化学反应过程。
v 在固体中,只有在原子或分子间较宽阔的材
料如聚合物中,或在某些金属的表面才有可
能形成Ps。
正电子的寿命
v 自由正电子在其运动速度v远小于光速c时,
Γ= π 2
单位时间发生2γ湮没的几率为: e
式中r0是经典电子半径,c为光速,ne是正电
子所在处的电子密度。
v 通常把Γ简称为湮没率,将其倒数定义为正电
ττ= 1
子的寿命,即: Γ
τ
v 正电子寿命反比于ne,就是说正电子所“看
见”的电子密度越低,则其寿命越长。
湮没对的动量守恒
v 正电子和电子的湮没特性不仅与介质中电子
浓度有关,还和电子动量分布有关。
v 湮没对的动能一般为几个eV。在它们的质心
坐标