Positrone e positronio

Il positrone è una particella avente massa uguale a quella dell’elettrone e carica positiva uguale in valore assoluto a quella negativa dell’elettrone. La scoperta del positrone è dovuta al fisico statunitense Carl David Anderson che scoprì questa antiparticella il 2 agosto 1932 per la quale vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1936

Come tale, incontrando la particella corrispondente (un elettrone) subisce il fenomeno dell’annichilazione (dal latino nihil = nulla). Ciò comporta la scomparsa simultanea della particella e dell’antiparticella. La massa complessiva è interamente convertita in energia, che appare sotto forma di fotoni secondo la reazione:

e⁺ + e^– → 2 fotoni γ

le due particelle quindi scompaiono dando vita a due fotoni che si allontanano lungo la stessa direzione ma in verso opposto.

La massa a riposo, m_o, del positrone, uguale a quella dell’elettrone, vale 9.107 ∙ 10^-28 g. Secondo l’equazione di Einstein sull’equivalenza tra massa e energia, essa corrisponde a un’energia calcolabile con la relazione:

E = m_oc² = (9.107 ∙ 10^-28 g ) ( 2.998 ∙ 10¹⁰ cm/s)² = 8.189 ∙ 10^-7 erg

Poiché 1 eV vale 1.602 ∙ 10^-12 ergsi ha:

E = 8.189 ∙ 10^-7 erg / 1.602 ∙ 10^-12 erg/eV = 5.11 ∙10⁵ eV = 0.511 MeV

Di conseguenza l’energia equivalente alla massa a riposo dell’elettrone e del positrone corrisponde a 0.511 MeV. Quando entrambe le particelle si annichilano sono emessi fotoni γ con energia complessiva pari a 0.511 ∙ 2 = 1.022 MeV.

Positrone: emissioni

I positroni, denominati anche particelle β⁺ sono emessi nel decadimento di alcuni nuclei aventi un eccesso di protoni e presentano uno spettro continuo di energie cinetiche analogamente alle particelle β^–.

Anche nel decadimento β⁺ l’emissione del positrone avviene simultaneamente a quella di un neutrino. L’energia ΔE della transizione nucleare si distribuisce tra le due particelle in modo che sia sempre verificata la condizione:

ΔE = E_β + E_ν

I positroni hanno pertanto energie cinetiche variabili tra zero e una energia E_max = ΔE in modo esattamente corrispondente alle particelle β^–. Nel passaggio attraverso la materia i positroni dissipano la loro energia cinetica mediante la creazione di coppie, di ioni e molecole eccitate e mediante emissione di fotoni X.

Tuttavia quando la velocità del positrone è sufficientemente ridotta da divenire paragonabile a quella degli elettroni periferici il positrone cattura un elettrone orbitale e forma in tal modo un singolare “atomo” cioè un sistema elettricamente neuro che, dal punto di vista chimico ricorda un atomo di idrogeno in cui al posto del protone vi è un positrone.

Positronio

Tale elemento detto positronio e  sono  esaminate le proprietà chimiche oltre che la sua struttura elettronica.

Lo stato fondamentale del positronio (stato di singoletto o parapositronio) corrisponde a uno stato antiparallelo dagli spin dell’elettrone e del positrone.

In tale stato l’energia del legame elettrone-positrone è dell’ordine di 150 kcal/mol e, dopo una vita media di 10^-10 s le due particelle si annichilano emettendo in direzioni esattamente opposte, due fotoni γ aventi ciascuno energia di 0.511 MeV che sono l’equivalente energetico delle masse dell’elettrone e del positrone.

Lo stato del positronio detto di tripletto od ortopositronio in cui gli spin del positrone e dell’elettrone sono paralleli ha vita media più lunga, circa 10^-7  s e nella sua annichilazione sono prodotti tre fotoni γ aventi sempre energia complessiva di 1.022 MeV.