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反氫

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一顆反氫原子由一個正子和一個反質子組成

反氫antihydrogen)是對應元素反物質:每顆氫原子是由一顆質子電子組成,而反氫則是由一顆反質子正電子組成。其化學符號多以「H」表示,即「H」上加一橫條,讀作 「H-bar」,原子序是-1。

歷史[编辑]

1932年,此前一直研究宇宙射線的卡尔·戴维·安德森了發現帶正電荷的電子:正電子

1955年埃米利奥·塞格雷欧文·张伯伦通過使用粒子加速器「Bevatron英语Bevatron」發現了反質子,即反氫的原子核。在此實驗中還發現了反中子

1995年歐洲核子研究組織(CERN)和德國的研究小組發現在反質子周圍與正電子反應,產生反氫圈,次年一月公佈結果。

根據粒子物理學CPT定律,反氫的不少特性均與氫相同,包括質量磁矩及在量子狀態中的過渡頻率(即把激光微波光束射在反氫原子上,會發出與氫相同顏色的光,例如:1s-2s的過渡頻率同樣為243 nm[1])。由於反物質的質量不會呈負數,因此在萬有引力方面,反氫也應與正氫相同。

當反氫原子與正物質接觸,它們會很快湮滅並化為伽馬射線及高能量π介子,這些π介子又很快會衰變為μ子中微子、正子及電子,並很快會消失。如果反氫原子處於真空環境,又不與正物質碰撞,它們理應永遠存在,不會湮滅消失。

自然界的環境不會出現反氫,因此需靠人們以粒子加速器來製造。1995年,歐洲核子研究組織(CERN)成功在瑞士日內瓦的研究所中,以射擊反質子來製造反氫原子,而這些反質子是在粒子加速器中的原子團中產生的。當一粒反質子接近氙原子核時,會產生正負電子各一粒,正電子給反質子抓獲時,便會產生反氫原子。由於每粒反質子能變為反氫原子的機會率約為10-19,因此以這個方法去大量生產反氫原子,成本定會極為昂貴。

近年,ATRAP及ATHENA兩個計劃正於CERN共同進行研究,他們把從放射性金屬中產生的正電子與困在彭寧離子阱中的反質子融合為反氫原子,每秒鐘可生產100顆,這個方法於2002年首度試驗,至2004年共生產了數十萬顆。

這些反氫原子由於溫度極高,約為攝氏數千度,因此撞向實驗器皿時湮滅的機會也極高。而下一個目標是要製造低溫的反氫,並處於接近絕對零度的水平,使之可由磁場來密封。然後可以激光來準確量度其過渡頻率,如果其結果與正氫不同,縱使其差距小,也能證明它們的特性不完全相同,並能幫助解釋為何宇宙的物質以正物質為主,而非反物質。

2016年12月19日,《自然》雜誌登出CERN反氫激光物理儀器Antihydrogen Laser Physics Apparatus︔縮寫作ALPHA)反質子減速器測得反氫中最低的兩個能階(1S與2S)之間的電子躍遷英语atomic electron transition,其結果在實驗誤差內與一般的氫原子一致,吻合物質-反物質對稱性的CPT對稱性定律概念[1][2]

反氫的同位素[编辑]

人們亦可利用同樣方法製造反氘D2H)、反氚T3H)、反氦He)等反原子理應也可以造到,只是其難度更高。在2011年4月29日出版的英國《自然》雜誌上刊登了成功合成反氦-4的消息,方法是將兩個接近光速的金原子核對撞,通過篩選共探測到18個反氦-4的信號。

參看[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Ahmadi, M; 等. Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen. Nature. 2016-12-19 [2016-12-21]. doi:10.1038/nature21040 (英语). 
  2. ^ Castelvecchi, Davide. Ephemeral antimatter atoms pinned down in milestone laser test. Nature. 2016-12-19 [2016-12-20] (英语). 

外部連結[编辑]