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[[Datei:Positronium.svg|mini|200px|Positronium]]
'''Positronium''' <math>e^-e^+\!\,</math> ist ein [[exotische Atome|exotisches Atom]], das aus einem [[Elektron]] <math>e^-\!\,</math> und seinem [[Antiteilchen]], dem [[Positron]] <math>e^+\!\,</math>, besteht.

== Eigenschaften ==
=== Spinzustände ===
Es wird zwischen ''Ortho-'' und ''Parapositronium'' unterschieden. Während die [[Spin]]s von Elektron und Positron (jeweils ½) beim Orthopositronium gleichgerichtet sind, der Gesamtspin des Systems also 1 beträgt, sind sie im Parapositronium entgegengerichtet, wodurch der Gesamtspin hier 0 beträgt.

Elektron und Positron [[Annihilation|annihilieren]], so dass das Positronium nur eine geringe [[Lebensdauer (Quantenphysik)|Lebensdauer]] hat. Parapositronium zerfällt mit einer mittleren Lebensdauer von 0,125 [[Nanosekunde|ns]] in zwei [[Photon]]en.<ref>{{Literatur | Autor=A. H. Al-Ramadhan, D. W. Gidley | Titel=New precision measurement of the decay rate of singlet positronium | Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. | Band=72 | Nummer=11 | Jahr=1994 | Seiten=1632-1635 | DOI=10.1103/PhysRevLett.72.1632}}</ref> Orthopositronium kann aus Gründen der Invarianz unter [[Ladungskonjugation]] nur in eine ungerade Zahl Photonen zerfallen, aus Gründen der [[Lorentzinvarianz]] (Energie-Impulserhaltung) also mindestens drei. Da dieser Prozess weniger wahrscheinlich ist, hat es mit 142 ns die erheblich längere Lebensdauer.<ref>{{Literatur | Autor=R. S. Vallery, P. W. Zitzewitz, D. W. Gidley | Titel=Resolution of the Orthopositronium-Lifetime Puzzle | Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. | Band=90 | Nummer=20 | Jahr=2003 | Seiten=203402 | DOI=10.1103/PhysRevLett.90.203402}}</ref>

=== Größe und Bindungsenergie ===
Zur Berechnung des Radius im Grundzustand ergibt sich im [[Bohrsches Atommodell|Bohrschen Atommodell]]:

:<math>r = \frac{4 \pi \varepsilon_0 \hbar^2}{\mu e^2} = 2a_0 = 0{,}106\,\textrm{nm} \qquad
\textrm{mit} \qquad \mu=\frac{m_\mathrm e m_\mathrm p}{m_\mathrm e+m_\mathrm p}=\frac{m_\mathrm e}{2}\,</math>.
Da die Massen des Elektron <math>m_\mathrm e</math> und des Positrons <math> m_\mathrm p</math> gleich groß sind, ist die [[reduzierte Masse]] μ halb so groß. Damit ergibt sich für <math>r</math> ein Wert, der doppelt so groß ist wie der [[Bohrscher Radius|Bohrsche Radius]] <math>a_0</math>, der Radius des [[Wasserstoffatom|Wasserstoff-Atoms]]. Der Abstand zwischen Elektron und Positron ist jedoch nicht der Radius, sondern der Durchmesser des Positronium-„Atoms“. Wasserstoff-Atom und Positronium sind daher im Bohrschen Atommodell gleich groß.

Da der Abstand der beiden Teilchen doppelt so groß ist wie im Wasserstoffatom, ist die Bindungsenergie nur halb so groß. Sie ist demnach gleich der halben [[Rydberg-Energie]]:
:<math>E = \frac 1 2 h \,c \,R_\infty = 6{,}8\,\mathrm{eV}\, </math>.

=== Relativistische quantenmechanische Rechnung ===
Positronium kann ebenfalls durch eine besondere Form der Zwei-Körper-[[Dirac-Gleichung]] behandelt werden. Ein System von zwei Punktteilchen mit [[Coulombsches Gesetz|Coulomb-Wechselwirkung]] lässt sich im (relativistischen) [[Schwerpunktsystem|Impulsraum exakt separieren]]. Die resultierende [[Gebundener Zustand|Grundzustandsenergie]] ist von J. Shertzer<ref name="Shertzer"/> mit einer [[Finite-Elemente-Methode]] sehr genau berechnet worden. Ihre Ergebnisse führten zur Entdeckung von anomalen Zuständen.<ref>{{Literatur | Autor=Chris W. Patterson | Titel=Anomalous states of Positronium | Sammelwerk=Phys. Rev. A. | Band=100 | Nummer=6 | Jahr=2019 | Seiten=062128 | DOI=10.1103/PhysRevA.100.062128}}</ref><ref>{{Literatur | Autor=Chris W. Patterson | Titel=Properties of the anomalous states of Positronium | Sammelwerk=Phys. Rev. A. | Band=107 | Nummer=4 | Jahr=2023 | Seiten=042816 | DOI=10.1103/PhysRevA.107.042816}}</ref>

Die Dirac-Gleichung mit einem [[Hamiltonoperator]] für zwei Dirac-Teilchen und einem statischen Coulomb-Potential ist nicht relativistisch invariant. Fügt man jedoch die Terme mit <math>1/c^{2n}</math>, <math>n=1,2 \ldots</math>, hinzu (oder <math>\alpha^{2n}</math>, wobei <math>\alpha</math> die [[Feinstrukturkonstante]] ist), so ist das Ergebnis relativistisch invariant. Nur der führende Term wird berücksichtigt. Der Beitrag zur Ordnung <math>\alpha^2</math> ist der Breit-Term; der Term zur Ordnung <math>\alpha^4</math> wird jedoch selten verwendet, weil in Ordnung <math>\alpha^3</math> bereits die [[Lamb-Verschiebung]] auftritt, welche [[Quantenelektrodynamik]] erfordert.<ref name="Shertzer">{{Literatur |Autor=T. C. Scott, J. Shertzer, R. A. Moore|Titel=Accurate finite element solutions of the two-body Dirac equation|Sammelwerk=Phys. Rev. A.|Band=45 | Nummer=7 | Jahr=1992 | Seiten=4393–4398 |DOI=10.1103/PhysRevA.45.4393}}</ref>

== Vorhersage und Entdeckung ==
Theoretisch vorhergesagt wurde das Positronium-Atom 1932 von [[Carl David Anderson]] und z. B. [[Stjepan Mohorovičić]].<ref>{{cite journal| author=S. Mohorovičić | title=Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik | journal=Astronomische Nachrichten | year=1934 | volume=253 | issue=4 | pages=93–108 | doi= 10.1002/asna.19342530402}}</ref> Der erste Nachweis gelang 1951 dem Physiker [[Martin Deutsch]] am [[Massachusetts Institute of Technology]].

== Chemische Verbindungen ==

Positronium kann chemische Verbindungen bilden und ähnelt dabei dem Wasserstoff. Man verwendet das [[Elementsymbol]] Ps.

=== Di-Positronium ===
''Di-Positronium'', oder auch ''Dipositronium'', (Ps2) ist ein [[Molekül]] aus zwei Positronium-Atomen und damit eine Analogie zum Wasserstoffmolekül aus zwei normalen Wasserstoffatomen. Die Existenz wurde von [[John Archibald Wheeler]] bereits 1946 vorhergesagt und theoretisch beschrieben, das Molekül konnte 2007 von David Cassidy und Allen Mills erstmals experimentell hergestellt und nachgewiesen werden.<ref>''{{Webarchiv|url=http://www.newsroom.ucr.edu/cgi-bin/display.cgi?id=1662 |wayback=20080209011909 |text=Molecules of Positronium Observed in the Laboratory for the First Time }}.'' Pressemitteilung, [[University of California, Riverside]], 12. September 2007.</ref><ref>Jonathan Fildes: ''[http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6991030.stm Mirror particles form new matter].'' BBC News, 12. September 2007.</ref>

=== Positronisches Wasser ===
Positronisches Wasser ist ein [[Hypothese|hypothetisches]] kurzlebiges, [[wasser]]<nowiki/>ähnliches Molekül aus einem [[Sauerstoff]]- und zwei Positroniumatomen (Ps2O). Im Vergleich zum normalen Wasser werden also die Wasserstoffatome durch Positronium ersetzt.

Jiang und Schrader sagten 1998 auf der Grundlage von [[Quanten-Monte-Carlo-Methode|Quanten-Monte-Carlo]]-Simulationen vorher, dass positronisches Wasser zwar existieren könne, jedoch chemisch nicht so stabil wie normales Wasser sei, da die [[Bindungsenergie]] nur etwa 30 % so groß sei.<ref>{{Literatur
|Autor=N. Jiang, D. M. Schrader
|Titel=Positronic Water, Ps2O
|Sammelwerk=Phys. Rev. Lett.
|Band=81
|Nummer=23
|Seiten=5113
|DOI=10.1103/PhysRevLett.81.5113}}</ref>

In der Praxis wurde positronisches Wasser bislang noch nicht hergestellt.

== Literatur ==
*{{Literatur
| Autor=G. Schatz, A. Weidinger
| Titel=[[Nukleare Festkörperphysik]]
| Auflage=3.
| Verlag=Teubner Studienbücher
| Ort=Stuttgart
| Jahr=1997
| ISBN=3519230798
}}
*{{Literatur
| Autor=D. B. Cassidy, A. P. Mills Jr.
| Titel=The production of molecular positronium
| Sammelwerk=Nature
| Band=449
| Seiten=195
| DOI=10.1038/nature06094
}}

== Einzelnachweise ==
<references />

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* [http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2006/pressemitteilung20060220/index.html Presse-Information der Max-Planck-Gesellschaft über Positronium-Ionen]

{{Normdaten|TYP=s|GND=4175443-8|LCCN=sh85105391}}

[[Kategorie:Atomphysik]]

Positronium - Versionsgeschichte

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