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正電子

一月 09, 2023

正电子（又称陽電子、反電子、正子）是電子的反粒子，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。

正電子（反電子）
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
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]
[1822.8884845(14)]−1 u[註 1]

0.510998928(11) MeV/c2[1]
電荷+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1.02百万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

理論

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“……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]。狄拉克被奧本海默的論點說服，於是在1931年發表的一篇論文中預測存在一種未被發現的粒子“反電子”，其質量與電子一樣，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，[來源請求]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

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]。

卡尔·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

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

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]。

材料研究中通常采用正電子湮没谱学（Positron Annihilation Spectroscopy, PAS）技术，用於探測固體材料中的空位、位错等微观缺陷。[18]

註釋

  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

  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. Bibcode:2008RvMP...80..633M. arXiv:0801.0028  . 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]. （原始内容于2013-10-14）. 
  2. ^ P. A. M. Dirac. The quantum theory of the electron (PDF). [2013-07-05]. （原始内容 (PDF)于2014-09-12）. 
  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 [2013-07-05]. Bibcode:1931RSPSA.133...60D. doi:10.1098/rspa.1931.0130. （原始内容于2017-07-16）. 
  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]. （原始内容于2015-05-12）. 
  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. （原始内容于2016-12-03）. 
  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]. （原始内容于2008-09-16）. 
  15. ^ Bland, E. Laser technique produces bevy of antimatter. MSNBC. 1 December 2008 [2009-07-16]. （原始内容于2008-12-05）. The LLNL scientists created the positrons by shooting the lab's high-powered Titan laser onto a one-millimeter-thick piece of gold. 
  16. ^ . 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

一月 09, 2023
正電子, 正电子, 又称陽電子, 反電子, 正子, 是電子的反粒子, 即電子的對應反物質, 它带有, 1单位电荷, 自旋为1, 质量与电子相同, 皆为9, 31kg, 反電子, 首張觀測到存在的雲室照片, 由c, 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, 组成基本粒子系費米子代第一代基本相互作用重力, 電磁, 弱符号β, 反粒子電子理论保羅, 狄拉克, 1928年, 发现卡尔, 戴维, 安德森. 正电子 又称陽電子 反電子 正子 是電子的反粒子 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 正電子 反電子 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 组成基本粒子系費米子代第一代基本相互作用重力 電磁 弱符号b 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6969910938291000000 9 109382 91 40 10 31 kg 1 6996548579909460000 5 485799 0946 22 10 4 u 1 7003182288848450000 1822 8884845 14 1 u 註 1 6999510998928000000 0 510998 928 11 MeV c2 1 電荷 1 e6981160217656499999 1 602176 565 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 02百万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b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 目录 1 歷史 1 1 理論 1 2 實驗上的跡象與發現 1 3 生產 2 應用 3 註釋 4 參考資料 5 外部链接歷史 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 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 狄拉克被奧本海默的論點說服 於是在1931年發表的一篇論文中預測存在一種未被發現的粒子 反電子 其質量與電子一樣 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 來源請求 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 卡尔 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 材料研究中通常采用正電子湮没谱学 Positron Annihilation Spectroscopy PAS 技术 用於探測固體材料中的空位 位错等微观缺陷 18 註釋 编辑 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6990420000000000000 4 2 10 10 參考資料 编辑 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 Bibcode 2008RvMP 80 633M arXiv 0801 0028 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 原始内容存档于2013 10 14 P A M Dirac The quantum theory of the electron PDF 2013 07 05 原始内容存档 PDF 于2014 09 12 P A M Dirac A Theory of Electrons and Protons PDF Frank Close Antimatter Oxford University Press 2009 46 ISBN 978 0 19 955016 6 P A M Dirac Quantised Singularities in the Quantum Field Proc R Soc Lond A 1931 133 821 2 3 2013 07 05 Bibcode 1931RSPSA 133 60D doi 10 1098 rspa 1931 0130 原始内容存档于2017 07 16 Feynman Richard The Theory of Positrons Physical Review 1949 76 76 749 Bibcode 1949PhRv 76 749F doi 10 1103 PhysRev 76 749 Feynman Richard The Development of the Space Time View of Quantum Electrodynamics Speech Nobel Lecture 1965 12 11 2007 01 02 原始内容存档于2015 05 12 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 Frank Close Antimatter Oxford University Press 50 52 ISBN 978 0 19 955016 6 10 0 10 1 general chemistry Taylor amp Francis 1943 660 15 June 2011 GGKEY 0PYLHBL5D4L 原始内容存档于2016 12 03 Cowan Eugene The Picture That Was Not Reversed Engineering amp Science 1982 46 2 6 28 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 Anderson Carl D The Positive Electron Physical Review 1933 43 6 491 494 Bibcode 1933PhRv 43 491A doi 10 1103 PhysRev 43 491 The Nobel Prize in Physics 1936 2010 01 21 原始内容存档于2008 09 16 Bland E Laser technique produces bevy of antimatter MSNBC 1 December 2008 2009 07 16 原始内容存档于2008 12 05 The LLNL scientists created the positrons by shooting the lab s high powered Titan laser onto a one millimeter thick piece of gold Laser creates billions of antimatter particles Cosmos Online 原始内容存档于2009 05 22 Phelps Michael E PET physics instrumentation and scanners Springer 2006 2 3 ISBN 0 387 32302 3 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 编辑正電子的發現 1932年8月 页面存档备份 存于互联网档案馆 取自 https zh wikipedia org w index php title 正電子 amp oldid 73950333, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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