正电子湮没技术.ppt

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, 1933 年 Blackett 和 Occhian 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 m 0电子静止质量, c为光速, E B是正电子—电子之间的束缚能,一般只有 eV 数量级,与 m 0c 2这一项相比很小,通常略去不计。计算得 E 0约等于 511keV B 2002 1EcmE??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 r 0是经典电子半径, c为光速, n e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 n e,就是说正电子所“看见”的电子密度越低,则其寿命越长。 r 20????? 1?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,光子的能量精确地为 , 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