正電子

正電子

正電子,又稱陽電子、反電子、正子,基本粒子的一種,帶正電荷,質量和電子相等,是電子的反粒子。最早是由狄拉克從理論上預言的。1932年8月2日,美國加州理工學院的安德森等人向全世界庄嚴宣告,他們發現了正電子。正電子的發現是利用雲霧室來觀測的。在雲霧室中充入過飽和的乙醚氣,當物質放射出正電子時,正電子穿過雲霧室,在正電子運行軌道中出現液滴線,通過外加磁場測量正電子的偏轉方向及半徑就可以知道它的帶電符號,及荷質比(帶電量與質量的比值)從而確定正電子的性質。正電子的發現開闢了反物質領域的研究。

  • 中文名稱
    正電子
  • 外文名稱
    positive electron
  • 又名
    陽電子
  • 寫作
    e+

簡介

其實在安德森之前,曾有一對夫婦科學家--約裏奧·居裏夫婦(皮埃爾·居裏夫婦的女婿與女兒)首先觀察到正電子的存在,但這並未引起他們的重視,從而錯過了這一偉大發現。這對居裏夫婦也為人類作出過傑出貢獻,他們除錯過了正電子的發現外,還同樣錯過了中子的發現及核裂變的發現,以致于三次走到諾貝爾物理學獎的門檻前而終未能破門而入。但因他們在放射性方面的傑出貢獻,他們仍獲得了1935年的諾貝爾化學獎

正電子,其質量為m=9.1×10^-31千克,電量為g=+1.6×10庫侖,自旋與電子相同。正電子是如何被檢測出來的呢?這就要借助于電磁場中的雲霧室了。

套用

我們知道,每一種物質都存在飽和蒸汽壓,當外界壓強大于該物質的飽和蒸汽壓時,這種物質的蒸汽就開始凝結成液滴。但是如果蒸汽很純凈,這時即使外界壓強超過了它的飽和蒸汽壓,蒸汽卻不會自動凝結,這就成了過飽和氣體。如果這時在過飽和氣體中加上一個很小的擾動,如帶電粒子的存在或其它雜質的存在,氣體就會以這個雜質為核心迅速凝結成小液滴。因此當帶電粒子在過飽和蒸汽中飛行時,蒸汽就會沿著粒子飛行的徑跡凝結,從而我們通過觀測這些液滴的軌跡,就可以知道粒子的運動情況,這就是雲霧室,是由著名物理學家威爾遜發明的,因此又名威爾遜雲室。

定義

正電子(Positron,e+),又稱陽電子

正電子是電子的反粒子,除帶正電荷外,其它性質與電子相同。正電子是不穩定粒子,遇到電子會與之發生湮滅(Annihilation),放出兩個伽瑪光子(gamma ray photon),每個能量為0.511MeV 。當正電子與原子核接觸時,就會與核外電子發生湮滅,這就是正電子炮的原理。正電子不是地球上物質的基本成分。正電子雖然比較穩定,但一碰到電子就會很快湮滅而轉變為光子,所以不容易觀測到。 正電子的發現使人聯想到是否存在反質子,反中子......,已經證實每種粒子都存在一種和它對應的反粒子。

正電子湮沒正電子湮沒

有人構想,用反粒子製造反物質(例如反氫原子),上述粒子的獲得,是向製造反氫原子邁進的很大的一步.物質和反物質的結合中(湮滅中),可釋放大量的能量(比核能高幾個數量級),未來宇宙飛船有可能攜帶某種物質和這種物質的反物質作為能源。

若要實現人類載人火星探索的偉大夢想,我們需要數噸化學燃料,相反,若使用反物質,則僅需數十毫克,理論速度極限可達光速的十分之一。然而,事實上,這種動力的誕生也伴隨著代價。有些反物質的反應會生成大量高能伽馬射線。伽馬射線能分解細胞內分子,因此,它們會對人體有害。另外,高能伽馬射線由于會使製造發動機材料的原子破裂,會讓發動機本身也具有放射性

發現過程

理論發現

正電子雖然有了理論預言,但在實驗上還未發現。19世紀30年代的科學界不輕易承認新粒子的存在。而是認為帶正電的粒子隻有質子,所以有人認為狄拉克方程中所出現的帶正電的粒子很可能就是質子,不然為什麽在實驗上沒有發現呢?這個想法包括狄拉克本人也曾有過。

實驗發現

時隔不久,1932年狄拉克的預言很快被實驗證實了,那是美國物理學家安德森(1905-1991)在研究宇宙射線在磁場中的偏轉情況時發現的。當時,他正同密立根(基本電荷的測定者)一起研究宇宙線是電磁輻射還是粒子的問題。那時大多數人同意康普頓的論證,認為宇宙射線是帶電粒子,密立根對此很不滿意。安德森于是想弄清楚進入雲室宇宙射線在強磁場作用下會不會轉彎。他在雲室中拍攝了一張照片,這張照片使他一夜沒合眼。他發現,宇宙射線進入雲室穿過鉛板後,軌跡確實發生了彎曲,而且,在高能宇宙射線穿過鉛板時,有一個粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣,但是彎曲的方向卻"錯"了。這就是說,這種前所未知的粒子與電子的質量相同,但電荷卻相反,而這恰好是狄拉克所預言的正電子。當時安德森並不知道狄拉克的預言,他把所發現的粒子叫做"正電子"。第二年,安德森又用γ射線轟擊方法產生了正電子,從而從實驗上完全證實了正電子的存在。從此以後,正電子便正式列入了基本粒子的行列。

趙忠堯是第一個觀測到正反物質湮滅的人,也是物理學史上第一個發現了反物質的物理學家。這個發現足以使趙忠堯獲得諾貝爾獎,當時瑞典皇家學會也曾鄭重考慮過授予他諾貝爾獎。不幸的是,有一位在德國工作的物理學家對趙忠堯的成果提出了疑問,雖然後來事實證明趙忠堯的結果是完全準確的,錯誤的是提出疑問的科學家,但這卻影響了趙忠堯的成果被進一步確認。1936年,為了表彰正電子的發現這一重要成就,瑞典皇家科學院把諾貝爾物理學獎授予了1932年在雲霧室中觀測到正電子徑跡的安德遜,而不是1930年首先發現了正負電子湮滅的趙忠堯。(安德遜也承認,當他的同學趙忠堯的實驗結果出來的時候,他正在趙忠堯的隔壁辦公室,當時他就意識到趙忠堯的實驗結果已經表明存在著一種人們尚未知道的新物質,他的研究是受趙忠堯的啓發才做的。)當然,後來,作為正電子的發現者被證明(在趙老逝世前一年,終于可以告慰世人和趙老英魂)。

電子對的產生及湮滅使人們對基本粒子的認識發生了重大的變化,人們不得不重新考慮究竟什麽是基本粒子問題。本來基本粒子意味著這些粒子是構成物質最基本的、不可再分的單元,象電子這樣的基本粒子既不能產生,也不會消滅。然而,發現在適當的條件下,正、負電子對可以成對地產生或湮滅,也就是說可以相互轉化。物質的各種形態可以相互轉變,這在認識上無疑是個巨大的飛躍。在這以後又發現了更多的反粒子,因而更多的事實反復證實了這一規律。

1936年,安德森因發現正電子而獲得了該年度的諾貝爾物理獎,時年僅為31歲。

產生

光子轉變

在T=5*10^9K的溫度下光子可以較高程度的反應生成正負電子對,體系熱平衡時正電子數量和光子數量大致相等。

核聚變

恆星們主要的核反應就會釋放出正電子,比如我們的太陽,其中每時每刻都在發生如下反應:四個質子聚合成1個氦核,同時釋放出兩個電子中微子和兩個正電子。

衰變

比如放射性同位素磷30就會通過正β衰變釋放正電子。

其他方法

利用能量高于1兆電子伏的γ射線輻射鉛板、薄金屬箔、氣態媒質等都有可能觀察到正電子的出現。

正電子發射斷層成像

正電子發射斷層成像(PositronEmissionTomography)系統是利用正電子同位素衰變產生出的正電子與人體內負電子發生湮滅效應這一現象,通過向人體內註射帶有正電子同位素標記的化合物,採用符合探測的方法,探測湮滅效應所產生的γ光子,得到人體內同位素的分布信息,由電腦進行重建組合運算,從而得到人體內標記化合物分布的三維斷層圖像。

PET是直接對腦功能造影的技術,其基本原理是:給被試註射含放射性同位素的示蹤物,同位素放出的正電子,與腦內的負電子發生湮滅而釋放出γ-射線。通過記錄γ-射線在大腦中的位置分布,可以測量區域腦代謝率(rCMR)和區域腦血流(rCBF)的改變,以此反映大腦的功能活動變化。

PET可用于精神分裂症、抑鬱症、毒品成癮症等的鑒別診斷、了解患者腦代謝情況及功能狀態,如精神分裂症患者額葉、顳葉、海馬基底神經節功能異常等。套用PET顯像,可以測定腦內多巴胺等多種受體,從分子的水準上揭示了疾病的本質。這是其他方法所不能比擬的。

PET的局限性:成像時間較長(至少要幾十秒),隻能採用區組設計(Blockdesign)的實驗模式;成像時受放射性同位素的限製,不適用于單個被試的重復研究。同一被試不宜頻繁參加實驗,不利于那些需要被試多次參加實驗的研究;系統造價很高,除PET掃描機外,一般還需配備一台加速器,用以製備半衰期隻有123s的15O等同位素。

相關貢獻

1928年狄拉克把相對論引進了量子力學,建立了相對論形式的薛定諤方程,也就是著名的狄拉克方程。這一方程具有兩個特點:一是滿足相對論的所有要求,適用于運動速度無論多快電子;二是它能自動地導出電子有自旋的結論。這一方程的解很特別,既包括正能態,也包括負能態。狄拉克由此做出了存在正電子的預言,認為正電子是電子的一個鏡像,它們具有嚴格相同的質量,但是電荷符號相反。狄拉克根據這個圖象,還預料存在著一個電子和一個正電子互相湮滅放出光子的過程;相反,這個過程的逆過程,就是兩個光子湮滅產生出一個電子和一個正電子的過程也是可能存在的。1932年,美國物理學家安德森(1923-)在研究宇宙射線簇射中高能電子徑跡的時候,奇怪地發現強磁場中有一半電子向一個方向偏轉,另一半向相反方向偏轉,經過仔細辨認,這就是狄拉克預言的正電子。後來很快又發現了γ射線產生電子對,正、負電子碰撞"湮滅"成光子等現象,全面印證了狄拉克預言的正確性。狄拉克的工作,開創了反粒子反物質的理論和實驗研究。正電子就這樣從理論上被推導了出來。

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