عرض مصدر بوزترونيوم

[[ملف:Positronium.svg|تصغير|200px|[[إلكترون|الكترون]] و[[بوزيترون]] يدوران حول [[مركز ثقل]]. وتلك هي حدود حالة الكم المعروفة باسم بوزترونيوم.]]
'''بوزترونيوم''' {{إنج|Positronium}} هو نظام يتكون من [[إلكترون|الإلكترون]] و[[مادة مضادة|نقيضه]] المسمى [[بوزيترون]]، اللذان يرتبطان معا مكونان [[ذرة شاذة]]. وهي تكون غير مستقرة حيث يفني كلا الجسيمين بعضهما البعض ليكونا فوتونين من [[أشعة غاما]] بعد متوسط عمر يقدر ب 125 [[بيكوثانية|ب.ث]] أو ثلاثة فوتونات أشعة غاما بعد متوسط عمر يقدر ب 142 [[نانوثانية|ن.ث]] في الفراغ، اعتمادا على حالات اللف النسبي للبوزيترون والإلكترون. يتشابه مدار الجسيمين ودائرة [[مستوى طاقة|مستوى الطاقات]] مع ماهو في ذرة [[هيدروجين|الهيدروجين]] (الإلكترون و[[بروتون|البروتون]]). لكن بسبب [[كتلة مخفضة|الكتلة المخفضة]] فإن [[تردد|الترددات]] المرتبطة مع [[خط طيفي|خطوط الطيف]] تكون أقل من نصف التي هي مرتبطة بخطوط الهيدروجين المقابلة.

== الحالات ==
تتشابه [[حالة قاعية|الحالة الدنيا]] للبوزترونيوم مع الهيدروجين، حيث لها تشكيلين ممكنين يعتمدان على توجهات اللف النسبية لكل من الإلكترون والبوزيترون.

تعرف [[الحالة المفردة]] مع [[لف مغزلي|لف]] {{وإو|لغ=en|تر=Antiparallel (mathematics)|عر=متضاد}} Antiparallel ([[عدد كم مغزلي|S]]{{يم}} = 0، ''M<sub>s</sub>'' {{يم}}= 0) باسم '''بوزترونيوم متعاكس''' (''p''-Ps) ويرمز {{جسيم دون ذري|para-positronium}}. لديه عمر أساسي يقدر ب 125 بيكوثانية، ويضمحل تفضيليا إلى كمتين غاما مع طاقة 511 [[إلكترون فولت]] لكل منهما (في هيكل مركز الزخم). الكشف عن هذه الفوتونات يسمح لاعادة بناء قمة التحلل ويستخدم في [[تصوير مقطعي بالإصدار البوزيتروني]]. ويمكن للبوزترونيوم المتعاكس ان يتحلل لأي عدد من الفوتونات (2، 4، 6...)، وتقل الاحتمالية كلما زاد العدد: {{وإو|لغ=en|تر=branching ratio|عر=نسبة التفرع}} للتحلل إلى 4 فوتونات هو {{val|1.439|(2)|e=-6}}{{يم}}.<ref name="hep-ph0310099">
{{استشهاد بدورية محكمة
 |مؤلف1-الأخير=Karshenboim | مؤلف1-الأول=Savely G.
 |سنة=2003
 |عنوان=Precision Study of Positronium: Testing Bound State QED Theory
 |doi=10.1142/S0217751X04020142
 |صحيفة=International Journal of Modern Physics A [Particles and Fields; Gravitation; Cosmology; Nuclear Physics]
 |المجلد=19
 |العدد=23
 |صفحات=3879–3896
 |arxiv=hep-ph/0310099
}}</ref>

متوسط عمر بوزترونيوم المتعاكس (S ={{يم}} 0):{{يم}}<ref name="hep-ph0310099"/>
:<math>t_{0} = \frac{2 \hbar}{m_e c^2 \alpha^5} = 1.244 \times 10^{-10} \; \text{s}</math>

أما [[حالة ثلاثية|الحالة الثلاثية]] وبلف [[تواز (هندسة)|متوازي]] (S{{يم}} = 1، ''M<sub>s</sub>'' {{يم}}= -1، 0، 1) فيعرف ب'''بوزيترونيوم مستقيم''' (''o''-Ps) ورمزه <sup>3</sup>S<sub>1</sub>. ومتوسط عمره في الفراغ {{val|142.05|0.02|u=ns}}{{يم}}.<ref>
{{استشهاد بدورية محكمة
 |مؤلف=A. Badertscher ''et al.''
 |سنة=2007
 |عنوان=An Improved Limit on Invisible Decays of Positronium
 |صحيفة=[[فيزيكال ريفيو]]
 |المجلد=75 |صفحات=032004
 |doi=10.1103/PhysRevD.75.032004
|arxiv=hep-ex/0609059
|bibcode = 2007PhRvD..75c2004B
 |العدد=3}}</ref> والنمط الرئيسي للتحلل هو ثلاث كمات غاما. أما الأنمطة الأخرى للتحلل فهي غير ذات أهمية؛ مثال على ذلك، نمط الفوتونات الخمس لها نسبة تفرع ~{{val|1.0|e=-6}}{{يم}}.<ref name="hep-ph9911410">
{{استشهاد بدورية محكمة
 |مؤلف1-الأخير=Czarnecki |مؤلف1-الأول=Andrzej |مؤلف2-الأخير=Karshenboim |مؤلف2-الأول=Savely G.
 |سنة=1999
 |عنوان=Decays of Positronium
 |المجلد=14
 |العدد=99
 |صحيفة=B.B. Levchenko and V.I. Savrin (eds.), Proc. of the th   International Workshop on High Energy Physics and Quantum Field Theory   (QFTHEP, Moscow , MSU-Press 2000, pp. 538 - 544.
 |arxiv=hep-ph/9911410
}}</ref>

متوسط عمر البوزيترونيوم المستقيم (S = 1) هو:<ref name="hep-ph0310099"/>
:<math>t_{1} = \frac{\frac{1}{2} 9 h}{2 m_e c^2 \alpha^6 (\pi^2 - 9)} = 1.386 \times 10^{-7} \; \text{s}</math>

يكون البوزيترونيوم [[شبه الاستقرار|شبه مستقر]] في حالة 2S ومتوسط عمره {{val|1.1|u=us}}. فإن تم تخليقه من حالة مستثارة فإنها تنخفض بسرعة إلى الحالة الدنيا حيث يحصل [[إفناء|الإفناء]] بسرعة أكبر. وقد استخدمت {{وإو|لغ=en|تر=precision tests of quantum electrodynamics|عر=اختبارات الدقة لكهروديناميكا كمية}} لقياس متوسط الأعمار ومستويات طاقة البوزيترونيوم.<ref name="hep-ph0310099"/><ref>
{{استشهاد بدورية محكمة
 |مؤلف1-الأخير=Rubbia | مؤلف1-الأول=A.
 |سنة=2004
 |عنوان=Positronium as a probe for new physics beyond the standard model
 |doi=10.1142/S0217751X0402021X
 |صحيفة=International Journal of Modern Physics A [Particles and Fields; Gravitation; Cosmology; Nuclear Physics]
 |المجلد=19
 |العدد=23
 |صفحات=3961–3985
 |arxiv=hep-ph/0402151
}}</ref>

ويمكن حدوث الإفناء عبر عدة قنوات، كل منها تنتج واحد أو أكثر من [[أشعة غاما]]. ويحتاج لإنتاج أشعة غاما طاقة اجمالية قدرها {{val|1022|ul=keV}} (لأن كل جسيم يفنى له كتلة {{val|511|ul=keV/c2}})، والأكثر احتمالا لقنوات الإفناء أن تنتج فوتونين أو ثلاث، اعتمادا على تشكيل اللف النسبي للإلكترون والبوزترون. وتحلل فوتون مفرد غير ممكن إلا إذا كان هناك جسم آخر (مثل الإلكترون) مجاورا لإبادة البوزترونيوم بحيث يمكن نقل بعض الطاقة الناتجة من عملية الإفناء. وقد تم ملاحظة ما يصل إلى خمسة من أشعة غاما افنين في التجارب المختبرية<ref>
{{استشهاد بدورية محكمة
 |الأخير=Vetter |الأول=P.A. |مؤلف2-الأخير=Freedman |مؤلف2-الأول=S.J.
 |سنة=2002
 |عنوان=Branching-ratio measurements of multiphoton decays of positronium
 |صحيفة=[[Physical Review A]]
 |المجلد=66 |صفحات=052505
 |doi=10.1103/PhysRevA.66.052505
|bibcode = 2002PhRvA..66e2505V
 |العدد=5}}</ref>، مؤكدا التوقعات ان [[كهروديناميكا كمية]] ذات مستوى رفيع جدا.

ويمكن التحلل إلى زوج من [[نيوترينو|النيترينو]] وضديده، ولكن احتمال هذا التوقع ضئيلة جدا. فنسبة التفرع لتحلل ''o''-Ps لتلك القناة هي {{val|6.2|e=-18}} (لزوج إلكترون نيترينو ومضاد النيترينو) و{{val|9.5|e=-21}} (لغير نكهات الإلكترون)<ref name="hep-ph9911410"/> حسب تنبؤات تعتمد على أساس النموذج القياسي ولكن ويمكن زيادتها حسب خصائص النيترينو غير القياسية، مثل الكتلة أو [[عزم مغناطيسي|العزم المغناطيسي]] المرتفع نسبيا. حدود التجريبية العليا على نسبة التفرع لهذا التحلل (فضلا عن الانحلال إلى أي من الجزيئات "غير مرئية") هي: {{val|4.3|e=-7}} {{يم}}(''p''-Ps) و{{val|4.2|e=-7}}{{يم}} (''o''-Ps){{يم}}.<ref>
{{استشهاد بدورية محكمة
 |الأخير=Badertscher |الأول=A. |المؤلفون=''et al.''
 |سنة=2007
 |عنوان=Improved limit on invisible decays of positronium
 |صحيفة=[[فيزيكال ريفيو]] D
 |المجلد=75 |صفحات=032004–1–10
 |doi=10.1103/PhysRevD.75.032004
 |bibcode=2007PhRvD..75c2004B
 |arxiv=hep-ex/0609059
 |العدد=3
}}</ref>

== مستويات الطاقة ==
{{مفصلة|نموذج بور}}
بينما تستخدم [[معادلة بيث-سالبتر]] لحساب لمستويات الطاقة للبوزترونيوم بدقة، فإن التشابه بين بوزترونيوم والهيدروجين يسمح لهذا التقدير تقريبي. ومع هذا التقارب إلا إن مستويات الطاقة تختلف بينهما بسبب وجود قيمة مختلفة للكتلة ''m''*، المستخدمة في معادلة الطاقة
::<math>E_n = - \frac{\mu q_e^4}{8 h^2 \epsilon_{0}^2} \frac{1}{n^2} \,.</math>
: أنظر [[نموذج بور#استنتاج مستويات الطاقة الإلكترونية للهيدروجين|مستويات طاقة الإلكترون]] للاستنتاج.
:<math>q_e</math> هو [[شحنة أولية|مقدار شحنة]] الإلكترون (كما هو في البوزترون)
:<math>h</math> هو [[ثابت بلانك]]
:<math>\epsilon_{0}</math> هو [[سماحية الفراغ|ثابت الإلكترون]] (ويسمى أيضا بسماحية الفراغ الحر) وأخيرا
:<math>\mu</math> هو [[كتلة مخفضة|الكتلة المخفضة]]

فالكتلة المخفضة في تلك الحالة هو
::<math>\mu = {{m_e m_p} \over {m_e + m_p}} = \frac{m_e^2}{2m_e} = \frac{m_e}{2},</math>
: حيث
:<math>m_e</math> و<math>m_p</math> هما كتلتا الإلكترون والبوزيترون على التوالي، وهما نفس الشيء بحكم تعريف الجسيمات والجسيمات المضادة.

وهكذا فإن البوزترونيوم هو كتلة مخفضة يختلف عن كتلة الإلكترون الساكنة بمعامل 2. وهذا يسبب في أن تكون مستويات الطاقة قريبة من نصف ما هو في ذرة الهيدروجين.

وأخيرا فإن مستويات طاقة البوزترونيوم تكون:

::<math> 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} \,</math>

أدنى مستوى لطاقة البوزترونيوم (n == 1) هو −6.8 [[إلكترون فولت|eV]]، ومستوى الطاقة التالي (n == 2) فهو −1.7 eV. وتدل إشارة السالب على [[حالة مقيدة|الحالة المقيدة]]. نلاحظ أيضا أن [[معادلة ديراك]] للجسمين تتكون من كل من [[مؤثر ديراك]] لكل نقطتين من الجسيمات المتفاعلة عن طريق [[قانون كولوم|تفاعل كولوم]] يمكن فصلها تماما في [[اطار مركز الزخم]] (النسبي) وقيمة ناتج الحالة الدنيا الذاتية تم الحصول عليها بدقة شديدة باستخدام [[طريقة العناصر المنتهية]].<ref>
{{استشهاد بدورية محكمة
 |الأخير=Scott |الأول=T.C. |مؤلف2-الأخير=Shertzer |مؤلف2-الأول=J. |مؤلف3-الأخير=Moore |مؤلف3-الأول=R.A.
 |سنة=1992
 |عنوان=Accurate finite element solutions of the two-body Dirac equation
 |صحيفة=[[Physical Review A]]
 |المجلد=45 |صفحات=4393–4398
 |doi=10.1103/PhysRevA.45.4393
 |bibcode=1992PhRvA..45.4393S |pmid=9907514 |العدد=7
}}</ref>

== النبوءة والاكتشاف ==
تنبأ العالم [[كرواتيا|الكرواتي]] ستيفان موهوروفيتشيك بوجود البوزترونيوم في مقاله في مجلة Astronomische Nachrichten في سة 1934 حيث أطلق على تلك المادة اسم الكتروم {{إنج|electrum}}{{يم}}.<ref>
{{استشهاد بدورية محكمة
 |الأخير=Mohorovičić |الأول=S.
 |سنة=1934
 |صحيفة=[[Astronomische Nachrichten]]
 |المجلد=253 |صفحات=94
 |doi=10.1002/asna.19342530402
 |عنوان=Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik
 |العدد=4
}}</ref> ولكن مصادر أخرى نسبت الفضل إلى العالم [[كارل أندرسون]] بالتنبؤ في وجوده سنة 1932 في [[معهد كاليفورنيا للتقنية|كالتيك]].<ref name="DeutschObit">
{{استشهاد ببيان صحفي
 |ناشر=MIT
 |سنة=2002
 |عنوان=Martin Deutsch, MIT physicist who discovered positronium, dies at 85
 |مسار=https://news.mit.edu/2002/deutsch
| مسار أرشيف = https://web.archive.org/web/20131106002803/http://web.mit.edu/newsoffice/2002/deutsch.html | تاريخ أرشيف = 6 نوفمبر 2013 }}</ref> ولكن الاكتشاف المختبري كان على يد [[مارتن دويتش]] في معهد [[معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا|إم آي تي]] سنة 1951، واطلق عليه اسم بوزترونيوم.<ref name="DeutschObit"/>

== مراقبة جزيئات ثنائي البوزترونيوم ==
أول ملاحظة ل[[جزيء]] [[ثنائي البوزترونيوم]] - وهي جزيئات تحتوي على ذرتي بوزترونيوم - كانت بتاريخ 12 سبتمبر 2007 عن طريق ديفيد كاسيدي وألان ميلز في جامعة كاليفورنيا شاطئ النهر.<ref>
{{استشهاد بدورية محكمة
 |الأخير=Cassidy |الأول=D.B. |مؤلف2-الأخير=Mills |مؤلف2-الأول=A.P. (Jr.)
 |سنة=2007
 |عنوان=The production of molecular positronium
 |صحيفة=[[نيتشر (مجلة)]]
 |المجلد=449 |صفحات=195–197
 |doi=10.1038/nature06094
 |laysummary=http://www.nature.com/nature/journal/v449/n7159/full/449153a.html
 |pmid=17851519
 |العدد=7159
|bibcode = 2007Natur.449..195C}}</ref><ref>
{{استشهاد ويب
 |مسار=https://phys.org/news/2007-09-matter-antimatter-molecules-positronium-lab.html
 |ناشر=[[فيز (موقع)]]
 |عنوان=Molecules of positronium observed in the lab for the first time
 |تاريخ الوصول=2007-09-07
| مسار أرشيف = https://web.archive.org/web/20120117182118/http://www.physorg.com/news108822085.html | تاريخ أرشيف = 17 يناير 2012 }}</ref>

== الظهور الطبيعي ==
تنبأ بالبوزترونيوم في حالات الطاقة العالية ان يكون الشكل السائد للمادة في الكون في المستقبل البعيد، غن كان [[تحلل البروتون]] حقيقيا.<ref name=dying>A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects, Fred C. Adams and Gregory Laughlin, ''Reviews of Modern Physics'' '''69''', #2 (April 1997), pp. 337–372. {{بيب كود|1997RvMP...69..337A}}. {{دوي|10.1103/RevModPhys.69.337}} {{أرشيف خي|astro-ph/9701131}}.</ref>
== مصادر ==

{{مراجع}}
{{روابط شقيقة}}
{{كهروديناميكا كمية}}
{{جسيمات}}
{{ضبط استنادي}}
{{معرفات مركب كيميائي}}
{{شريط بوابات|الفيزياء|الكيمياء|كيمياء فيزيائية}}

[[تصنيف:أونيوم]]
[[تصنيف:إلكترونيات دورانية]]
[[تصنيف:جسيمات أولية]]
[[تصنيف:فيزياء جزيئية]]
[[تصنيف:كهروديناميكا كمية]]
[[تصنيف:مادة مضادة]]