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正电子

正电子(反电子)
PositronDiscovery.jpg
首张观测到正电子存在的云室照片,由C·D·安德森所摄。云室的上下两部分由一片6毫米厚的铅片分开。可以肯定该正电子是从下方进入的,因为上方的轨迹比下方弯曲,即被磁场扭曲的程度较高,由此可知上方的能量较低。
组成基本粒子
费米子
第一代
基本相互作用重力电磁
符号β+
, e+
反粒子电子
理论保罗·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]
[1822.8884845(14)]−1 u[注 1]

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

正电子(又称阳电子反电子正子)是电子反粒子,即电子的对应反物质。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(成对产生),或者在放射性元素的正β衰变中(通过弱相互作用),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。

历史

理论

保罗·狄拉克于1928年发表了一份论文[2],当中提出电子能够拥有正电荷及负电荷。在这份论文中,狄拉克首次引进了狄拉克方程,这条方程统一了量子力学狭义相对论及电子自旋,而自旋当时还是一个很新的概念,用于解释塞曼效应。论文中狄拉克并没有明确地预测新粒子的存在,但他允许电子可以用正能量或负能量作解。正能量解成功解释了实验结果,但负能量解却令狄拉克相当困惑,因为在他的数学模型中负能量解跟正能量解一样有效。在量子力学中是不能够无视负能量解的,这点就跟经典力学很不一样;双重解意味着电子有可能会在正负能量态间自发跳跃。然而,实验并没有观测到这样的跃迁。狄拉克把这个理论与观测间的冲突称为“未解决的难题”。

狄拉克于1929年十二月撰写了一份后续论文,尝试解释相对论性电子那无可避免的负能量解[3]。他的论点是“……具有负能量的电子在外加(电磁)场中移动就像它携带了正电荷”。他继续论述说所有空间都可被视为充满负能量态的“海”,因此这样就阻止了电子在正能量态(负电荷)与负能量态(正电荷)间的跃迁。论文同时探讨了质子是这种海中的岛的可能性,及这种岛其实是负电荷电子的可能性。狄拉克承认,质子与电子的巨大质量差是一个难题,但同时表示将来的理论“有希望”解决这个问题。

对于狄拉克使用质子作为电子的负能量解,罗伯特·奥本海默表示强烈反对。他断言如果这是真的,那么氢原子就会瞬间自爆[4]。狄拉克被奥本海默的论点说服,于是在1931年发表的一篇论文中预测存在一种未被发现的粒子“反电子”,其质量与电子一样,并且与电子接触时会互相湮灭[5]

理查德·费曼及在他之前的厄恩斯特·斯蒂克尔堡,提出了一种对狄拉克方程负能量解的诠释,就是正电子是逆时间而行的电子[6]。逆时间而行的电子,其电荷为正电荷。约翰·惠勒援引这个概念,来解释所有电子都共有的性质,同时指出在有自相互作用的复世界线上,“它们都是一样的电子”[7]。后来,南部阳一郎将这样的一套理论,应用于所有物质-反物质对的创生与湮灭,还说明了“平常所见成对的最终创生与湮灭,并不是创生与湮灭,而是移动中的粒子改变方向而已,从过去到将来,又或是从将来到过去”[8]现时物理学家已经接受了逆时间观点,与其他绘景等价,[来源请求]但这个诠释却没有宏观的“因果”,因为微观物理描述并没有因果。

实验上的迹象与发现

德米特里·斯科别利岑(Dmitri Skobeltsyn)最早于1929年观测到正电子[9][10]。在尝试用威尔逊云室[11]来侦测宇宙射线伽马辐射的时候,斯科别利岑探测到一种行动像电子的粒子,但它在磁场中的弯曲方向与电子相反[10]

同样地,加州理工学院的一名研究生赵忠尧在1929年也注意到类似的实验结果,显示有一种性质像电子的粒子,但其电荷为正,不过由于实验结果并非决定性,所以赵忠尧并没有继续追查这个现象[12]

卡尔·安德森于1932年8月2日发现正电子[13],亦因此于1936年获颁诺贝尔物理学奖[14]。“正电子”(positron)一词是由安德森所创的。正电子是第一种被发现的反物质,因此当时成了反物质存在的证据。在发现时,安德森让宇宙射线通过云室及铅片。仪器被磁铁包围,而这些磁铁使不同电荷的粒子向不同的方向弯曲。每一粒通过照相底片的正电子,都会有一条离子轨迹,其曲率对应电子的质荷比,但轨迹方向与电子相反,意味着它的电荷也与电子相反。

后来安德森在忆述往事时写道,假若之前赵忠尧的研究有后续的话,那么正电子在那个时候就会被发现了[12]。在安德森公布发现正电子的时候,巴黎的弗雷德里克·约里奥-居里伊雷娜·约里奥-居里夫妇已经持有有正电子轨迹的老照片,不过他们当时认为那轨是属于质子的,因此不予理会。

生产

新的研究大大地增加了正电子的生产量。劳伦斯利福摩尔国家实验室的物理学家团队,用特高亮度的短距离激光轰击一片1毫米厚的金箔,成功生产出1000亿个正电子[15][16]

应用

某些粒子加速器实验需要使正电子与电子在相对论性速度下对撞。高撞击能量与这些物质─反物质湮灭,能生成一整束各种各样的亚原子粒子。物理学家就是通过研究这些碰撞,来测试理论预测及寻找新的粒子。

放射性核素(示踪物)所发射的正电子与生物体内电子湮灭所产生的伽马射线,可用正电子发射计算机断层扫描(PET)来探测。PET扫描器能做出详细的三维图像,显示人体的新陈代谢[17]

材料研究中通常采用正电子湮没谱学(Positron Annihilation Spectroscopy, PAS)技术,用于探测固体材料中的空位位错等微观缺陷[18]

注释

  1. ^ 分数版本的分母为小数版本的倒数(相对标准误差也是一样4.2×10−10)。

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 科技数据委员会(CODATA)的数值来源为:
    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. Bibcode:2008RvMP...80..633M. arXiv:0801.0028. doi:10.1103/RevModPhys.80.633.
    亦可从以下链接取得CODATA各种物理常数的值:
    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 (PDF).
  3. ^ P. A. M. Dirac. A Theory of Electrons and Protons (PDF).
  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 (Speech). Nobel Lecture. 1965-12-11 [2007-01-02].
  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. (原始内容存档于2009-05-22).
  17. ^ Phelps, Michael E. PET: physics, instrumentation, and scanners. Springer. 2006: 2–3. ISBN 0-387-32302-3.
  18. ^ Siegel, R W. Positron Annihilation Spectroscopy. Annual Review of Materials Science. 1980, 10: 393. Bibcode:1980AnRMS..10..393S. doi:10.1146/annurev.ms.10.080180.002141.

外部链接


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