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正电子湮没技术(PositronAnnihilationTechnique,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。
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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,1933年Blackett和OcchianLine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
(Ps)
;广泛研究了正电子在固体中的湮没
(SpurModel)
,=1用光激发而形成n=2的Ps
,-辐射和n=2的精细结构。
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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
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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。
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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。
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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-offannihilation)。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。
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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。
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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。
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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。
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多普勒能移
湮没对的运动还会引起在实验室坐标系中测得的湮没光子能量的多普勒移动。频移为:
其中vL是湮没对质心的纵向速度,等于PL/2m0,由于光子能量正比于它的频率,可以得到能量为m0c2时,其多普勒能移为:
湮没辐射的线形反映了物质中电子的动量分布。而物质结构的变化将引起电子动量分布的变化。所以测量正电子湮没角关联曲线和多普勒展宽谱可以研究物质微观结构的变化。
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