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氢化电子偶素

化合物

氢化电子偶素或电子偶素化氢[3]是一种由奇异原子电子偶素和氢原子组成的分子，化学式为PsH[4]， 科学家在1951年预测它的存在[5]，并且在1990年发现它[6]。

氢化电子偶素
识别
CAS号
SMILES
 
  • *[H]
ChEBI 46711
性质
化学式 PsH
摩尔质量 1.00794[1] g·mol⁻¹
外观 可能是气体
结构
分子构型 双原子分子[2]
相关物质
相关化学品 双电子偶素
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

氢化电子偶素的半衰期约为0.65个纳秒，而结合能有1.1±0.2eV[4]。

历史

1951年，A Ore认为电子偶素可能可以与一般原子形成分子，而预测了氢化电子偶素的存在的可能性[5]。随后便进行了许多理论研究。1990年，来自马德里的帕雷哈（R. Pareja）和冈萨雷兹（R. Gonzalez）在利用含氢载体捕获正子时，观测到了氢化电子偶素的存在[6]。1992年，丹麦奥胡斯大学的大卫·史瑞德（David M. Schrader）和雅各布森（F.M. Jacobsen）等人以不同的方式也成功合成了氢化电子偶素[7]。

合成

1990年观测到氢化电子偶素的实验是由来自马德里的帕雷哈和冈萨雷兹利用橡树岭国家实验室的Yok Chen准备的含氢之氧化镁晶体载体作为陷阱，捕获正电子[8]。由于实验中，正子被热化，因此只能以高速行进，进而与晶体中的H−离子反应生成氢化电子偶素[6]。另外一种方法是将强烈的正子束发射到具有最高密度的氢原子的分子——甲烷中来制造氢化电子偶素。当正子减速后，被一般的电子捕获，形成电子偶素，然后与甲烷的氢原子反应生成氢化电子偶素[7]，这种方法是1992年，丹麦奥胡斯大学的大卫·史瑞德和雅各布森等人使用的方法。

由于氢化电子偶素寿命十分短，因此制备氢化电子偶素十分困难，但理论计算可以预测其会是什么结构。一种合成氢化电子偶素的方式是透过碱金属氢化物与正电子反应。预测表明，偶极矩大于1.625德拜的分子能吸引并保持正子在结合状态。克劳福德的模型预测这样的结构正子会被捕获。然而，在氢化锂、氢化钠和氢化钾分子的情况下，该加合物会分解成氢化电子偶素和碱金属正离子[9]。

衰变

单重态的电子偶素其半衰期为0.125纳秒[10]，而氢化电子偶素半衰期较长，形成分子后，整个分子的半衰期为0.65纳秒，而氘化电子偶素的半衰期也差不多是这个数值。[6]

透过测量，氢化电子偶素衰变时会释放2个511 keV的伽马射线光子。来自正子衰变释放的光子应该会因为形成了化学键而有所不同，然而目前尚未观测到这种现象。[3]

性质

氢化电子偶素由一个质子、两个电子和一个正子构成。氢与电子偶素的结合能为1.1±0.2 eV[4]，比氢和氢的结合能4.52 eV[11]来的小。其分子的结构为双原子分子，两个带正电荷的中心（氢以及正子）之间存在单键化学键，电子基本上集中在质子周围[2]。其整体特性可能是四体库仑问题（four body Coulomb problem）。根据随机变分方法（stochastic variational method）的估算，其分子大小比双氢分子（H2）还大。电子偶素的原子核（即正子）和氢原子核（即质子）的平均距离为 3.66 a0。分子中的电子偶素显得比电子偶素原子本身来得大，与电子偶素原子大小3 a0相比在氢化电子偶素中，其大小增加到了3.48 a0。电子到质子的平均距离也大于氢分子，约为2.31 a0 ，最大密度在2.8 au[3]。

类似的化合物

氢化电子偶素是奇异化合物的一个例子。其他氢化电子偶素的化合物可以透过e+ + AB →PsA + B+反应来生成[12]。目前已知含有电子偶素的物质有双电子偶素（Ps2）和电子偶素负离子（Ps−）。具有一般物质的电子偶素分子包括卤化物和氰化物[2]。

参见

参考文献

  1. ^ positronium hydride. ebi.ac.uk. [2017-07-21]. （原始内容存档于2018-04-03）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Saito, Shiro L. Is Positronium Hydride Atom or Molecule?. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2000, 171: 60–66. Bibcode:2000NIMPB.171...60S. doi:10.1016/s0168-583x(00)00005-7. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Usukura, J.; K. Varga; Y. Suzuki. Signature of the existence of the positronium molecule. Physical Review A. 22 Apr 1998, 58 (3): 1918. arXiv:physics/9804023  . 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 Schrader, D. M. and Jacobsen, Finn M. and Frandsen, Niels-Peter and Mikkelsen, Ulrik. Formation of positronium hydride. Phys. Rev. Lett. A (American Physical Society). 1992-07, 69 (1): 57––60. doi:10.1103/PhysRevLett.69.57. 
  5. ^ 5.0 5.1 Usukura, J.; Varga, K.; Suzuki, Y. Signature of the existence of the positronium molecule. Physical Review A. 1998, 58 (3): 1918. Bibcode:1998PhRvA..58.1918U. arXiv:physics/9804023v1  . doi:10.1103/PhysRevA.58.1918. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 Monge, M. A.; R. Pareja; R. González; Y. Chen. Positronium deuteride and hydride in MgO crystals. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Articles. 1996, 211 (1): 23–29. ISSN 0236-5731. doi:10.1007/BF02036251. 
  7. ^ 7.0 7.1 Schrader, D. M.; Jacobson, Finn M.; Niels-Peter, Niels-Peter; Mikkelsen, Ulrik. Formation of Positronium Hydride. Physical Review Letters. 1992, 69 (1): 2880. Bibcode:1992PhRvL..69...57S. doi:10.1103/PhysRevLett.69.57. 
  8. ^ FY 1992 Accomplishments - "Out of This World" Chemical Compound Observed (PDF): 9. [2017-07-21]. （原始内容 (PDF)存档于2017-01-31）. 
  9. ^ Oyamada, Takayuki; Masanori Tachikawa. Multi-component molecular orbital study on positron attachment to alkali-metal hydride molecules: nature of chemical bonding and dissociation limits of [LiH; e+]. The European Physical Journal D. 2014, 68 (8): 231. Bibcode:2014EPJD...68..231O. ISSN 1434-6060. doi:10.1140/epjd/e2014-40708-4. 
  10. ^ Karshenboim, Savely G. Precision Study of Positronium: Testing Bound State QED Theory. International Journal of Modern Physics A [Particles and Fields; Gravitation; Cosmology; Nuclear Physics]. 2003, 19 (23): 3879–3896. Bibcode:2004IJMPA..19.3879K. arXiv:hep-ph/0310099  . doi:10.1142/S0217751X04020142. 
  11. ^ Lehninger, Albert L.; Nelson, David L.; Cox, Michael M. Lehninger Principles of Biochemistry 4th. W. H. Freeman. 2005: 48 [May 20, 2016]. ISBN 978-0-7167-4339-2. 
  12. ^ Schrader, D. M. Positronium hydride formation in collisions of positrons with molecular hydrogen. Theoretica Chimica Acta. 1992, 82 (5): 425–434. ISSN 0040-5744. doi:10.1007/BF01113943. 
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