文档介绍：正电子湮没技术
-原理、实验方法及应用
概述
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。
通过测量正电子与材料中电子湮没时所发射出的射线的角度、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。
制样方法简便,适应的材料广泛,通过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
1939年狄拉克从理论上预言正电子的存在
1932年安德森,hian Line从实验上观测到正电子的存在
1934年MoHorovicic提出可能存在e+-e-的束缚态
1937年LSimon和KZuber发现e+-e-对的产生
1945年A. Eruark命名正电子素Positronium(Ps)
1945年A. Ore提出在气体中形成正电子素的Ore模型
1951年M. Deutsch首先从实验上证实Ps的存在
1953年R. E. Bell和R. L. Graham测出在固体中正电子湮没的复杂谱
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
1974年O. E. Mogensen提出形成Ps的激励团模型(Spur Model)
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
1975年K. F. Canter,A. P. MiLLs和S. Berko观测了Ps拉曼-辐射和n=2的精细结构。
正电子与电子湮没:2湮没
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。
大多数情况下,正电子—电子对(简称为湮没对)湮没后变成两个光子。
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:
式中m0电子静止质量,c为光速,EB是正电子—电子之间的束缚能,一般只有eV数量级,与m0c2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
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)。
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。
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:3湮没
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。
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2湮没,而o- Ps只能发生3湮没,即放出3个光子。
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。
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。
3湮没转换为2湮没
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。
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
自由正电子在其运动速度v远小于光速c时,单位时间发生2湮没的几率为:
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。
通常把简称为湮没率,将其倒数定义为正电子的寿命,即:
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
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。
湮没对的动能一般为几个eV。在它们的质心坐标系中,,并且两个光子严格地向相反方向运动。
在实验室坐标系中,由于湮没对的动量不为零,两个光子运动的方向会偏离共直线,如图1所示。
湮没过程中动量守恒矢量图
因为热化后的正电子动量几乎为零,所以测量的角关联曲线描述了物质中被湮没的电子的动量分布。