Positronio

De Wikipedia, la enciclopedia libre

El positronio (Ps) es un sistema cuasiestable formado por un electrón y su antipartícula, el positrón, unidos formando un átomo exótico. La órbita de ambas partículas y los niveles energéticos son similares al del átomo de hidrógeno (formado por un protón y un electrón). Pero debido a la diferente masa reducida del sistema, las frecuencias asociadas a las líneas espectrales son menos de la mitad que en el hidrógeno.

[editar] Detalles

El positronio es inestable, con un período de semidesintegración de unos 10^-7 segundos (100 nanosegundos). Ambas partículas caen una hacia otra en una especie de espiral (aunque en realidad el acercamiento se hace mediante pasos cuantizados de radios cada vez menores), hasta que se aniquilan mutuamente por el proceso de aniquilación positrón-electrón. Tras esta aniquilación se producen rayos gamma, en cantidades siempre superiores a uno y con una energía total de 1022 keV, ya que tanto el positrón como el electrón tienen una masa de 511 keV. Generalmente se producen dos o tres fotones gamma, dependiendo del espín de la partícula. No se puede producir un sólo fotón ya que lo prohíbe la conservación del momento relativista. Experimentalmente se han observado hasta 5 fotones, confirmando las predicciones de la electrodinámica cuántica hasta un orden muy alto.

El positronio, como el hidrógeno, puede tener varias configuraciones: el nivel fundamental puede ser un estado singlete con espines antiparalelos (S = 0, M_S = 0), el parapositronio, con un símbolo ¹S₀. Éste estado puede existir hasta 10^-10 segundos, con una vida media de 125 picosegundos. La otra configuración posible, el estado triplete, con espines paralelos (S = 1 y M_S = −1, 0, 1) es conocida como ortopositronio (³S₁), y puede existir hasta 10^-7 s, con una vida media de 140 nanosegundos.

[editar] Niveles energéticos

Las semejanzas entre el positronio y el átomo de hidrógeno se extienden incluso hasta la ecuación que indica, de forma aproximada, los niveles energéticos. Los niveles energéticos de ambos sistemas son diferentes debido a las diferencias de m^* (masa reducida), usada en la ecuación de energía:

$E_n = \frac{-m^* q_e^4}{8 h^2 \epsilon_{0}^2} \frac{1}{n^2} \,$

q e

es la carga elemental del electrón (la misma que el positrón)

h

es la constante de Planck

ε 0

es la permitividad del vacío

m *

es la masa reducida.

La masa reducida en este caso viene dada por:

$m^* = {{m_e m_p} \over {m_e + m_p}} = \frac{m_e^2}{2m_e} = \frac{m_e}{2}$

donde

m e

m p

son, respectivamente, las masas del electrón y del positrón, exactamente la misma.

Para el positronio, la masa reducida sólo se diferencia de la masa en reposo del electrón en un factor 2. Este hecho es la causa de que los niveles energéticos para el positronio sean aproximadamente la mitad que para el hidrógeno.

Así, los niveles energéticos del positronio vienen dados por:

$E_n = \frac{1}{2} \frac{-m_e q_e^4}{8 h^2 \epsilon_{0}^2} \frac{1}{n^2} = \frac{-6.8 \ \mathrm{eV}}{n^2} \,$