正电子湮没谱学-笔记难点.docx

正电子湮没谱学简介和具有相等的静止质量m0=9.1×10-31kg，所带电荷的数值都为单位电荷e=4.8×10-10静电单位，但电荷性质相反，二者具有相等的磁矩ge/(2m0c)。正电子（positron）湮没是指高速运动的正电子从放射源射入凝聚态物质中，在与周围达到热平衡后就会与电子、带等效负电荷的缺陷或空位等发生湮没。应用有研究形变、材料中各种相变过程、固体能带结构和费米面、材料表面和表面结构及缺陷。实验使用的正电子主要有两个来源，即高能加速器电子的对产生和放射性核素的β+衰变。高能加速器产生的电子在物质中减速会发生韧致辐射而产生光子，如果次级光子能量大于电子静止质量的两倍，将有一定的几率发生电子对效应产生正负电子，是产生正电子的极好方法。但目前实验室普遍采用的方法是放射性核素的衰变，因为其使用方便，价格相对低廉，但强度小，增加了实验时间。能级图上可以看出，在负能级和正能级之间至少存在着大约1.022MeV的间距，所以为了产生一个正负电子对，电子海中的一个电子必须要吸收大于1.022MeV的能量才能跃迁到正能级上。相反如果正能级上的电子向下跃迁到负能级空穴（正电子）中，则会释放出等于或大于1.022MeV的能量，这些能量以γ光子的形式释放，伴随着γ光子的产生，正负电子对的质量转化为γ光子的能量。最大的可能是释放两个γ光子，这样每个γ光子的能量为0.511MeV，所以说0.511MeV是正电子的特征谱线。正电子在探测物质微观结构时具有鲜明的特色：①选择性和灵敏性，由于捕获效应，正电子对低原子密度区域具有选择性，只要缺陷浓度达到10-7就可探测到；②局域性，正电子的湮没信息反映的是材料中纳米尺寸的局域信息，所以正电子成为了探测物质表面、界面、体内各种微观缺陷或自由体积的灵敏探针；③普适性，由于正电子谱学研究的是电子体系，因而对样品无特殊的要求，可研究的范围是非常广泛的。具体来说，正电子湮没谱学在固体物理和材料科学中的一些主要应用如下：研究金属材料的形变、疲劳、淬火、辐照、掺杂、氢损伤等在材料中所造成的空位、位错、空位团等缺陷以及研究这些缺陷的退火效应。研究材料中各种相变过程，如合金中的沉淀现象、马氏体相变、非晶态材料中的晶化过程、离子固体中的相变、液晶及其他高分子材料，聚合物中的相变。研究固体的能带结构、费米面、空位形成能等。研究材料的表面、表层结构和缺陷。正电子湮没技术是探测固体内部的微观缺陷和电子结构的实验手段。对固体内部的微观缺陷十分敏感，即使固体内部仅存极少量的缺陷亦能探测到，PAT研究的是样品中原子尺度的缺陷，而且正电子技术是一种无损检测方法。正电子在真空中非常稳定，其半衰期超过2×1021年，但在固体中会和电子很快湮没，平均寿命仅为几百皮秒。正电子主要以两种形式湮没，第一种是自由湮没，第二种是捕获态湮没或者其他正电子束缚态湮没。正电子和电子在碰撞瞬间发生湮没称为自由湮没，湮没放出单光子、双光子、多光子。双光子湮没的概率比三光子湮没的概率大372倍，比单光子湮没概率大8个数量级。正电子双光子湮没率取决于湮没区域中电子的密度，而寿命是湮没率的倒数，因此电子密度越大，湮没率越大，正电子寿命越短，测量正电子的寿命反映了电子密度的信息。当缺陷浓度超过10-4时，每个正电子基本上都会被捕获，如果缺陷浓度继续增大，湮没参数不会再变化，这种现象称为饱和效应。饱和情况下正电子湮没参数不再反映缺陷浓度，但还是能反映缺陷的类型。在金属材料中，由于自由电子的密度很高，通常不会形成正电子素，正电子的湮没方式主要是自由态湮没和捕获态湮没；在分子材料中会形成正电子素，除了上述两种湮没方式外还存在正电子素湮没，即正电子在材料中捕获一个电子形成相对稳定的束缚态的湮没过程。宇宙射线中可以发现正电子，但实验室中所用的正电子主要来自放射性同位素的衰变，从放射源中发射出的正电子能量是比较高的，大约几百keV到几MeV之间，这种正电子进入凝聚态物质后将与电子、原子实发生相互作用通过多种形式损失能量，大约在10-12 s量级内使其能量降至kT量级（300K时正电子动能为0.025eV），这一过程称为正电子的热化。由经验公式计算得到正电子在材料中的射程通常为20~300μm，为了保证电子湮没所反应的是射程末端材料结构信息，因此样品必须足够厚，取射程的3~5倍，约50~1500μm。以放射性同位素为初级正电子源的慢正电子束流设备，由于受放射源强度的限制，束流流强一般较低，许多重要的实验技术，如低能正电子衍射谱仪、正电子显微镜等新型技术无法实现。电子直线加速器（LINAC）的慢正电子束流线解决了慢正电子束流强度低的问题。采用北京正负电子对撞机（BEPC）电子直线加速器电子打靶的方式作为初级正电子源，从而产生高强度和高亮度的低能单色正电子束流。正电子在与原子实的非弹性