正電子

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
正電子(反電子)
PositronDiscovery.jpg
首張觀測到正電子存在的雲室照片,由C·D·安德森所攝。雲室的上下兩部分由一片6毫米厚的鉛片分開。可以肯定該正電子是從下方進入的,因為上方的軌跡比下方彎曲,即被磁場扭曲的程度較高,由此可知上方的能量較低。
组成 基本粒子
費米子
第一代
基本相互作用 重力電磁
符号 β+
, e+
反粒子 電子
理论 保羅·狄拉克(1928年)
发现 卡尔·戴维·安德森(1932年)
质量

9.10938291(40)×10−31 kg[1]
5.4857990946(22)×10−4 u[1]
[1,822.8884845(14)]−1 u[註 1]

0.510998928(11) MeV/c[1]
电荷 +1 e
1.602176565(35)×10−19 C[1]
自旋 12

正电子(又称陽電子反電子正子英语Positron),是電子反粒子,即電子的對應反物質。它带有+1单位电荷,+1.6×10-19C,自旋为1/2,质量与电子相同,皆为9.10×10-31kg。

正电子与电子碰撞时会产生湮灭现象,这一过程遵守电荷守恒能量守恒动量守恒角动量守恒。在高能情况下,湮灭会生成其他基本粒子。在低能情况下,正负电子湮灭主要生成两个或三个光子(有时也会生成更多光子)。另外,电子和正电子在湮灭之前有时会形成亚稳定的束缚态,即电子偶素。根据电子和正电子的不同自旋状态,电子偶素分为单态(1S0,总自旋为0)和三重态(3S1,总自旋为1)。在真空中,单态电子偶素的半衰期为125ps。三重态电子偶素的半衰期为142ns

当能量超过1.02兆电子伏特的光子经过原子核附近时(成對產生),或者在放射性元素的正β衰变中(通過弱相互作用),都有可能产生正电子。

1930年英国物理学家保罗·狄拉克从理论上预言了正电子的存在,1932年美国物理学家卡尔·戴维·安德森宇宙射线中发现了正电子。

歷史[编辑]

理論[编辑]

保羅·狄拉克於1928年發表了一份論文[2],當中提出電子能夠擁有正電荷及負電荷。在這份論文中,狄拉克首次引進了狄拉克方程,這條方程統一了量子力學狹義相對論及電子自旋,而自旋當時還是一個很新的概念,用於解釋塞曼效應。論文中狄拉克並沒有明確地預測新粒子的存在,但他允許電子可以用正能量或負能量作解。正能量解成功解釋了實驗結果,但負能量解卻令狄拉克相當困惑,因為在他的數學模型中負能量解跟正能量解一樣有效。在量子力學中是不能夠無視負能量解的,這點就跟經典力學很不一樣;雙重解意味着電子有可能會在正負能量態間自發跳躍。然而,實驗並沒有觀測到這樣的躍遷。狄拉克把這個理論與觀測間的衝突稱為“未解決的難題”。

狄拉克於1929年十二月撰寫了一份後續論文,嘗試解釋相對論性電子那無可避免的負能量解[3]。他的論點是“……在外加(電磁)場中的負電荷粒子會像正電荷粒子那樣移動”。他繼續論述說所有空間都可被視為充滿負能量態的“海”,因此這樣就阻止了電子在正能量態(負電荷)與負能量態(正電荷)間的躍遷。論文同時探討了質子是這種海中的島的可能性,及這種島其實是負電荷電子的可能性。狄拉克承認,質子與電子的巨大質量差是一個難題,但同時表示將來的理論“有希望”解決這個問題。

對於狄拉克使用質子作為電子的負能量解,羅伯特·奧本海默表示強烈反對。他斷言如果這是真的,那麼氫原子就會瞬間自爆[4]。被奧本海默的論點說服,於是狄拉克在1931年發表了一篇論文,他在文中預測出一種未被發現的粒子,他叫這種粒子“反電子”,它的質量與電子一樣,並且與電子接觸時會互相湮滅[5]

理查德·費曼及在他之前的厄恩斯特·斯蒂克爾堡,提出了一種對狄拉克方程負能量解的詮釋,就是正電子是逆時間而行的電子[6]。逆時間而行的電子,其電荷為正電荷。約翰·惠勒援引這個概念,來解釋所有電子都共有的性質,同時指出在有自相互作用的複世界線上,“它們都是一樣的電子”[7]。後來,南部陽一郎將這樣的一套理論,應用於所有物質-反物質對的創生與湮滅,還說明了“平常所見成對的最終創生與湮滅,並不是創生與湮滅,而是移動中的粒子改變方向而已,從過去到將來,又或是從將來到過去”[8]。現時物理學家已經接受了逆時間觀點,與其他繪景等價,但這個詮釋卻沒有宏觀的“因果”,因為微觀物理描述並沒有因果。

實驗上的跡象與發現[编辑]

德米特里·斯科別利岑(Dmitri Skobeltsyn)最早於1929年觀測到正電子[9][10]。在嘗試用威爾遜雲室[11]來偵測宇宙射線伽馬輻射的時候,斯科別利岑探測到一種行動像電子的粒子,但它在磁場中的彎曲方向與電子相反[10]

同樣地,加州理工學院的一名研究生趙忠堯在1929年也注意到類似的實驗結果,顯示有一種性質像電子的粒子,但其電荷為正,不過由於實驗結果並非決定性,所以趙忠堯並沒有繼續追查這個現象[12]

卡爾·D·安德森於1932年8月2日發現正電子[13],亦因此於1936年獲頒諾貝爾物理學獎[14]。“正電子”(positron)一詞是由安德森所創的。正電子是第一種被發現的反物質,因此當時成了反物質存在的證據。在發現時,安德森讓宇宙射線通過雲室及鉛片。儀器被磁鐵包圍,而這些磁鐵使不同電荷的粒子向不同的方向彎曲。每一粒通過照相底片的正電子,都會有一條離子軌跡,其曲率對應電子的質荷比,但軌跡方向與電子相反,意味着它的電荷也與電子相反。

後來安德森在憶述往事時寫道,假若之前趙忠堯的研究有後續的話,那麼正電子在那個時候就會被發現了[12]。在安德森公佈發現正電子的時候,巴黎的弗雷德里克·约里奥-居里伊雷娜·约里奥-居里夫婦已經持有有正電子軌跡的老照片,不過他們當時認為那軌是屬於質子的,因此不予理會。

生產[编辑]

新的研究大大地增加了正電子的生產量。勞倫斯利福摩爾國家實驗室的物理學家團隊,用特高亮度的短距離雷射轟擊一片1毫米厚的金箔,成功生產出1000億個正電子[15][16]

應用[编辑]

某些粒子加速器實驗需要使正電子與電子在相對論性速度下對撞。高撞擊能量與這些物質─反物質湮滅,能生成一整束各種各樣的次原子粒子。物理學家就是通過研究這些碰撞,來測試理論預測及尋找新的粒子。

放射性核素(示蹤物)所發射的正電子與生物體內電子湮滅所產生的伽馬射線,可用正电子发射计算机断层扫描(PET)來探測。PET掃描器能做出詳細的三維圖像,顯示人體的新陳代謝[17]

材料研究中有一種工具叫正電子湮滅能譜(Positron Annihilation Spectroscopy, PAS),用於偵測固體材料中的密度差異、缺陷、位移或甚至空隙[18]

註釋[编辑]

  1. ^ 分數版本的分母為小數版本的倒數(相對標準誤差也是一樣4.2×10−10)。

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 科技數據委員會(CODATA)的數值來源為:
    Mohr, P.J.; Taylor, B.N.; Newell, D.B. CODATA recommended values of the fundamental physical constants. Reviews of Modern Physics. 2006, 80 (2): 633–730. arXiv:0801.0028. Bibcode:2008RvMP...80..633M. doi:10.1103/RevModPhys.80.633. 
    亦可從以下鏈結取得CODATA各種物理常數的值:
    The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty. National Institute of Standards and Technology. [2013-10-23]. 
  2. ^ P. A. M. Dirac. The quantum theory of the electron. 
  3. ^ P. A. M. Dirac. A Theory of Electrons and Protons. 
  4. ^ Frank Close. Antimatter. Oxford University Press. 2009. 46. ISBN 978-0-19-955016-6. 
  5. ^ P. A. M. Dirac. Quantised Singularities in the Quantum Field. Proc. R. Soc. Lond. A. 1931, 133 (821): 2–3. Bibcode:1931RSPSA.133...60D. doi:10.1098/rspa.1931.0130. 
  6. ^ Feynman, Richard. The Theory of Positrons. Physical Review. 1949, 76 (76): 749. Bibcode:1949PhRv...76..749F. doi:10.1103/PhysRev.76.749. 
  7. ^ Feynman, Richard"The Development of the Space-Time View of Quantum Electrodynamics" Nobel Lecture(1965年12月11日).於2007年1月2日查閱
  8. ^ Nambu, Yoichiro. The Use of the Proper Time in Quantum Electrodynamics I. Progress in Theoretical Physics. 1950, 5 (5): 82. Bibcode:1950PThPh...5...82N. doi:10.1143/PTP.5.82. 
  9. ^ Frank Close. Antimatter. Oxford University Press. : 50–52. ISBN 978-0-19-955016-6. 
  10. ^ 10.0 10.1 general chemistry. Taylor & Francis. 1943. 660 [15 June 2011]. GGKEY:0PYLHBL5D4L. 
  11. ^ Cowan, Eugene. The Picture That Was Not Reversed. Engineering & Science. 1982, 46 (2): 6–28. 
  12. ^ 12.0 12.1 Jagdish Mehra, Helmut Rechenberg. The Historical Development of Quantum Theory, Volume 6: The Completion of. Quantum Mechanics 1926–1941.. Springer. 2000. 804. ISBN 978-0-387-95175-1. 
  13. ^ Anderson, Carl D. The Positive Electron. Physical Review. 1933, 43 (6): 491–494. Bibcode:1933PhRv...43..491A. doi:10.1103/PhysRev.43.491. 
  14. ^ The Nobel Prize in Physics 1936. [2010-01-21]. 
  15. ^ Bland, E. Laser technique produces bevy of antimatter. MSNBC. 1 December 2008 [2009-07-16]. "The LLNL scientists created the positrons by shooting the lab's high-powered Titan laser onto a one-millimeter-thick piece of gold." 
  16. ^ Laser creates billions of antimatter particles. Cosmos Online. 
  17. ^ Phelps, Michael E. PET: physics, instrumentation, and scanners. Springer. 2006: 2–3. ISBN 0-387-32302-3. 
  18. ^ Introduction to Positron Research. St. Olaf College. 

外部链接[编辑]