Mostrar código-fonte de Positrônio

[[Ficheiro:Positronium.svg|thumb|200px|right|Um [[elétron]] e um [[pósitron]] orbitando ao redor de um [[centro de massa]] comum formando a estrutura conhecida como positrônio.]]
O '''positrônio''' é um sistema consistindo de um [[elétron]] e a sua [[antipartícula]], um [[pósitron]], unidos em um [[átomo exótico]]. O sistema é instável, pois as duas antipartículas se auto aniquilam e produzem dois [[fóton]]s [[raio gama|gama]] depois de uma vida média de 125 [[picossegundo]]s ou três raios gama depois de 142 [[nanossegundo]]s no [[vácuo]], dependendo do estados relativos dos [[spin]]s do elétron e do pósitron. A órbita das duas partículas e o nível de energia é similar ao do átomo de [[hidrogênio]] (életron-[[próton]]). Contudo, por causa da massa reduzida, as frequências associadas com as linhas espectrais são de menos da metade das suas correspondentes no átomo de hidrogênio.

==Estados==
O [[estado fundamental]] do positrônio, assim como o do hidrogênio, tem duas configurações possíveis dependendo das orientações relativas dos spins do elétron e do pósitron. 
 
O [[estado singleto]], com os spins antiparalelos ([[spin|''S'']] = 0, ''M<sub>s</sub>'' = 0) é conhecido como ''parapositrônio'' (''p''-Ps) e é denotado por {{SubatomicParticle|para-positronium}}. Tem uma vida média de 125 picossegundos e decai preferencialmente em dois raios gama com  energia de 511 [[elétron-volt|keV]] cada (no referencial do centro de massa). A detecção destes fótons permite a reconstrução do vértice de degradação e é usado na [[tomografia por emissão de pósitrons]]. O parapositrônio pode decair em qualquer número de fótons (2, 4, 6, ...), mas a probabilidade diminui muito com o aumento do número: a razão de ramificação para o decaimento com 4 fótons é de 1,439 (2) × 10 <sup>−6</sup>.<ref name="hep-ph0310099">
{{citar periódico|last1=Karshenboim | first1=Savely G.
 |ano=2003
 |título=Precision Study of Positronium: Testing Bound State QED Theory
 |doi=10.1142/S0217751X04020142
 |periódico=International Journal of Modern Physics A [Particles and Fields; Gravitation; Cosmology; Nuclear Physics]
 |volume=19
 |issue=23
 |páginas=3879–3896
 |arxiv=hep-ph/0310099
|bibcode = 2004IJMPA..19.3879K }}</ref>

A vida média do para-positrônio (S = 0):<ref name="hep-ph0310099"/>
:<math>t_{0} = \frac{2 \hbar}{m_e c^2 \alpha^5} = 1.244 \times 10^{-10} \; \text{s}</math>

O estado tripleto com os spins paralelos (''S'' = 1, ''M<sub>s</sub>'' = −1, 0, 1) é conhecido como ''ortopositrônio'' (''o''-Ps) e é denotado como <sup>3</sup>S<sub>1</sub>.  O estado tripleto no vácuo têm uma vida média de 142,05 ± 0,02 ns<ref>
{{citar periódico|author=A. Badertscher ''et al.''
 |ano=2007
 |título=An Improved Limit on Invisible Decays of Positronium
 |periódico=[[Physical Review D]]
 |volume=75 |páginas=032004
 |doi=10.1103/PhysRevD.75.032004
 
|arxiv=hep-ex/0609059
|bibcode = 2007PhRvD..75c2004B
 |issue=3 }}</ref> a forma mais comum de decaimento é produzindo três fótons. Outras formas de decaimentos são negligenciáveis; por exemplo o modo de decaimento produzindo cinco fótons tem razão de ramificação de 1 x 10<sup>−6</sup>.<ref name="hep-ph9911410">
{{citar periódico|last1=Czarnecki |first1=Andrzej |last2=Karshenboim |first2=Savely G.
 |ano=1999
 |título=Decays of Positronium
 |volume=14
 |issue=99
 | editor1-first=B.B.
 | editor1-last=Levchenko
 | editor2-first=V.I.
 | editor2-last=Savrin
 |periódico=Proceedings of the International Workshop on High Energy Physics and Quantum Field Theory (QFTHEP)
 |local=Moscow
 |publicadopor=MSU-Press
 |páginas=538–544
 |arxiv=hep-ph/9911410
|bibcode = 1999hep.ph...11410C }}</ref>

Tempo de vida do orto-positrônio (S = 1):<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>

O positrônio no estado 2S é um [[metaestado]] tendo um tempo de vida de 1,1 Ms contra [[autoaniquilação]].{{carece de fontes|date= setembro de 2007}} Se o positrônio é criado nesse estado excitado, ele vai rapidamente decair para o estado fundamental e então vai decair de forma mais rápida. Medidas desses tempos de vida, como os do nível de energia do positrônio, têm sido usados em testes de precisão da [[eletrodinâmica quântica]].<ref name="hep-ph0310099"/><ref>
{{citar periódico|last1=Rubbia | first1=A.
 |ano=2004
 |título=Positronium as a probe for new physics beyond the standard model
 |doi=10.1142/S0217751X0402021X
 |periódico=International Journal of Modern Physics A [Particles and Fields; Gravitation; Cosmology; Nuclear Physics]
 |volume=19
 |issue=23
 |páginas=3961–3985
 |arxiv=hep-ph/0402151
|bibcode = 2004IJMPA..19.3961R }}</ref>

A aniquilação pode prosseguir através de um certo número de canais, cada um produzindo um ou mais raios gama. Os raios gama são produzidos com uma energia total de 1,022  keV (tendo cada uma das partículas uma massa de 511 keV/c<sup>2</sup>), os canais de aniquilação mais prováveis produzem dois ou três fótons, dependendo da configuração da rotação relativa do elétron e do pósitron. Um único decaimento de fótons só é possível se um outro corpo (por exemplo, um elétron) se encontrar na proximidade do positrônio para que uma parte da energia do evento de aniquilação possa ser transferida. Até cinco raios gama de aniquilação foram observados em experimentos de laboratório,<ref>
{{citar periódico|last=Vetter |first=P.A. |last2=Freedman |first2=S.J.
 |ano=2002
 |título=Branching-ratio measurements of multiphoton decays of positronium
 |periódico=[[Physical Review A]]
 |volume=66 |páginas=052505
 |doi=10.1103/PhysRevA.66.052505
|bibcode = 2002PhRvA..66e2505V
 |issue=5 }}</ref> confirmando a previsão da eletrodinâmica quântica de alta ordem.

A aniquilação em um par [[neutrino]]-[[antineutrino]] também é possível, mas a probabilidade prevista é negligenciável. A razão de ramificação para o decaimento ''o''-Ps para esta canal é de 6,2×10<sup>−18</sup> (par [[neutrino de elétron]]–[[antineutrino de elétron]]) e 9,5 <sup>−21</sup> (para cada sabor não-elétron)<ref name="hep-ph9911410"/> em previsões baseadas no [[modelo padrão]],mas isso pode ser aumentada por propriedades de neutrino fora do padrão, como massa ou o relativo alto [[momento magnético]]. Os limites experimentais superiores para esta probabilidade(como para todo decaimento para qualquer partículas "invisíveis") são: 4,3 x 10<sup>−7</sup> (''p''-Ps) e 4,2 x 10<sup>−7</sup> (''o''-Ps).<ref>
{{citar periódico|last=Badertscher |first=A. |coautor=''et al.''
 |ano=2007
 |título=Improved limit on invisible decays of positronium
 |periódico=[[Physical Review]] D
 |volume=75 |páginas=032004–1–10
 |doi=10.1103/PhysRevD.75.032004
 |bibcode=2007PhRvD..75c2004B
 |arxiv=hep-ex/0609059
 |issue=3
}}</ref>

==Níveis de energia==
{{Artigo principal|Átomo de Bohr}}

Enquanto que o cálculo dos níveis de energia do positrônio de forma precisa usa a [[equação de Bethe-Salpeter]], a similaridade entre o positrônio e o hidrogênio permite uma estimativa aproximada. Nessa aproximação, os níveis de energia são diferentes entre os dois devido a diferença no valor da massa, ''m''*, usada na equação de energia.
::<math>E_n = - \frac{\mu q_e^4}{8 h^2 \epsilon_{0}^2} \frac{1}{n^2} \,.</math>

:<math>q_e</math> é a [[carga elementar|magnitude de carga]] do elétron (o mesmo do pósitron)
:<math>h</math> is [[constante de Planck]]
:<math>\epsilon_{0}</math>é a [[constante elétrica]] (também conhecida como permissividade de espaço livre) e finalmente
:<math>\mu</math> é a [[massa reduzida]]

A massa reduzida nesse caso é:
::<math>\mu = {{m_e m_p} \over {m_e + m_p}} = \frac{m_e^2}{2m_e} = \frac{m_e}{2},</math>
:quando <math>m_e</math> and <math>m_p</math> são, respectivamente, a massa do elétron e do pósitron que são ''a mesma'' pela definição de partículas e antipartículas.

Assim, para o positrônio, a sua massa reduzida apenas difere do resto da massa do elétron por um fator de 2. Isso também faz com que os níveis energia sejam a metade do que eles são no átomo de hidrogênio.

Então finalmente,  os níveis de energia do positrônio são dados por:

::<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>

O menor nível de energia do positrônio (''n'' = 1) é &minus; 6,8 [[elétron-volt]]s (eV). O próximo menor nível de energia é (''n'' = 2) is &minus;1,7 eV. O negativo sinal implica um estado fundamental. Nós também notamos que um dois-corpos de [[equação de Dirac]] compostas por um [[operador Dirac]] para cada uma das duas partículas interagindo via a [[lei de Coulomb]] podem ser exatamente separadas na (relavística) [[centro de estrutura dinâmica]] e resultar num estado fundamental podem ser obtidos usando o [[método de elementos finitos]] de [[J. Shertzer]]. A equação de Dirac cujo hamiltoniano compreende duas partículas Dirac e um potencial estático de Coulomb não é relativisticamente invariante. Mas se ocorre uma adição 1/c^(2n) (ou alfa^2n onde alfa é o coeficiente de estrutura fina que é de cerca de 1/137) onde contribuições são n=1,2,3, ... para o hamiltoniano então o resultado é relativisticamente invariante no limite. Então apenas o termo liderante no hamiltoniano é incluído. O próximo 1/c^2 (ou alfa^2) contribuição são termos breit: trabalhadores raramente vão para 1/c^4 (ou alfa^4) porque no alfa^3*log(alfa), tem-se o deslocamento de Lamb (que é um cálculo detalhado necessitando da eletrodinâmica quântica).<ref>
{{citar periódico|last=Scott |first=T.C. |last2=Shertzer |first2=J. |last3=Moore |first3=R.A.
 |ano=1992
 |título=Accurate finite element solutions of the two-body Dirac equation
 |periódico=[[Physical Review A]]
 |volume=45 |páginas=4393–4398
 |doi=10.1103/PhysRevA.45.4393
 |bibcode=1992PhRvA..45.4393S |pmid=9907514 |número=7
}}</ref> Seus resultados levam à descoberta de estados anômalos.<ref>
{{citar periódico|last=Patterson |first=Chris W.
 |ano=2019
 |título=Anomalous states of Positronium 
 |periódico=[[Physical Review A]]
 |volume=100 |páginas=062128
 |doi=10.1103/PhysRevA.100.062128
 |url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.100.062128
 |número=6
}}</ref><ref>
{{citar periódico|last=Patterson |first=Chris W.
 |ano=2023
 |título=Properties of the anomalous states of Positronium
 |periódico=[[Physical Review A]]
 |volume=107 |páginas=042816
 |doi=10.1103/PhysRevA.107.042816 
 |url=https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.107.042816
 |número=4
}}</ref>

==Previsão e descoberta==
O cientista [[croatas|croata]] [[Stjepan Mohorovičić]] previu a existência da partícula positrônio em 1934 em um artigo publicado no ''[[Astronomische Nachrichten]]'', em que ele chama a substância de "electrum".<ref>
{{citar periódico|last=Mohorovičić |first=S.
 |ano=1934
 |periódico=[[Astronomische Nachrichten]]
 |volume=253 |páginas=94
 |doi=10.1002/asna.19342530402
 |título=Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik
 |issue=4
}}</ref> Outras fontes creditam [[Carl David Anderson]]como tendo previsto a sua existência em 1932 enquanto ainda estava trabalhando no [[Caltech]]<ref name="DeutschObit">
{{citar comunicado de imprensa|publicadopor=MIT
 |ano=2002
 |título=Martin Deutsch, MIT physicist who discovered positronium, dies at 85
 |url=http://web.mit.edu/newsoffice/2002/deutsch.html
}}</ref> Elel foi experimentalmente descoberto por [[Martin Deutsch]] no [[MIT]] em 1951,e ficou conhecido como positrônio.<ref name="DeutschObit"/>

==Observação de moléculas de di-positrônio==
A primeira observação de uma [[molécula]] de [[di-positrônio]] consistindo de dois átomos de positrônio foi reportada em 12 de setembro de 2007 por [[David Cassidy]] e [[Aleen Mills]] da [[Universidade da Califórnia|Universidade da Califórnia em Riverside]].<ref>
{{citar periódico|last=Cassidy |first=D.B. |last2=Mills |first2=A.P. (Jr.)
 |ano=2007
 |título=The production of molecular positronium
 |periódico=[[Nature (journal)|Nature]]
 |volume=449 |páginas=195–197
 |doi=10.1038/nature06094
 |laysummary=http://www.nature.com/nature/journal/v449/n7159/full/449153a.html
 |pmid=17851519
 |issue=7159
|bibcode = 2007Natur.449..195C }}</ref><ref>
{{citar web
 |url=http://www.physorg.com/news108822085.html
 |publicadopor=[[Physorg.com]]
 |título=Molecules of positronium observed in the lab for the first time
 |acessodata=2007-09-07
}}</ref>

==Ocorrência natural==
Positrônio em altos estados de energia tem sido previstos para serem a forma dominante de matéria atômica no [[universo]] em um futuro muito distante, se o [[decaimento do próton]] se tornar uma realidade.<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.  {{bibcode|1997RvMP...69..337A}}.  {{doi|10.1103/RevModPhys.69.337}} {{arxiv|astro-ph/9701131}}.</ref>

==Ver também==
* [[átomo exótico]]
* [[elétron]]
* [[pósitron]]
* [[ônio]]

{{referências}}

== Ligações externas ==
* [http://www.universetoday.com/am/publish/search_positronium.html The Search for Positronium]
* [http://web.mit.edu/newsoffice/2002/deutsch.html Obituary of Martin Deutsch, discoverer of Positronium]
* [http://www.como.polimi.it/positron Website about positrons, positronium and antihydrogen. Positron Laboratory, Como, Italy]

{{partículas elementares}}

[[Categoria:Átomos exóticos]]
[[Categoria:Década de 1950 na ciência]]