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] 。
对于正负电子对,其总动量为0,当它们相遇湮灭,产生光子,物质能转化为光能,
正電子[编辑]
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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。
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组成 | 基本粒子 |
---|---|
系 | 費米子 |
代 | 第一代 |
基本相互作用 | 重力、電磁、弱 |
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 | 1⁄2 |
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、动量守恒和角动量守恒。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·安德森在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]來偵測宇宙射線中伽馬輻射的時候,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-居里與伊雷娜·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] 。
赵忠尧- 维基百科,自由的百科全书
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百度知道搜索_请问正负电子对湮灭后,会产生一对光子对,为什么一个 ...
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请问为何正负电子湮灭为两个光子,而一个光子在重核附近能成为一对 ...
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正负电子对撞后湮灭生成两个频率相同的光子。已知普朗克常数为h,电子质 ...
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从正负电子对湮灭看狭义相对论的错误-挑战相对论-西陆网 - 西陆论坛
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Nov 22, 2005 - 30 posts - 14 authors
但是,正负电子对湮灭过程中,如果正负电子对质量越来越大,那么增大的质量从何而来呢?正负电子对湮灭为一对光子后,光子对的动质量并不 ...一个电子和一个正电子对撞发生湮灭而转化为一对光子,设正负电子对 ...
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第四节超强激光和伽马暴提供的证据对正负电子对湮 - 新华网论坛
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