《正电子湮没技术》ppt课件

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1、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(PositronAnnihilationTechnique，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OcchianLine从实验上观测到正电子的存在1934年MoHorovicic

2、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(SpurModel)1974年S.L.Varghese和E.S.Ensberq，V.W

3、.He和I.Lindqre从n=1用光激发而形成n=2的Ps1975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m0电子静止质量，c为光速，EB是正电子—电子之间的束缚能，一般只有eV数量级，与m0c2这一项相比很小，通常略去不计。计算得E0约等于511keV正电子素在气体、液体和某些固体介

4、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

5、，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-offannihilation)。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r0是经典电子半径，c为

6、光速，ne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ne，就是说正电子所“看见”的电子密度越低，则其寿命越长。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0.511MeV，并且两个光子严格地向相反方向运动。在实验室坐标系中，由于湮没对的动量不为零，两个光子运动的方向会偏离共直线，如图1所示。湮没过程中动量守恒矢量图因为热化后的正电子动量几乎为零，所以测量的角关联曲线描述了物质中被湮没的电子的动量分布。多普勒能移湮没对的运动还

7、会引起在实验室坐标系中测得的湮没光子能量的多普勒移动。频移为：其中vL是湮没对质心的纵向速度，等于PL/2m0，由于光子能量正比于它的频率，可以得到能量为m0c2时，其多普勒能移为：湮没辐射的线形反映了物质中电子的动量分布。而物质结构的变化将引起电子动量分布的变化。所以测量正电子湮没角关联曲线和多普勒展宽谱可以研究物质微观结构的变化。正电子放射源正电子湮没实验中通常所用正电子源为放射性同位素22N