正电子（基本粒子的一种）

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更新时间：2023-05-16
正电子
基本粒子的一种
正电子，又称阳电子、反电子、正子，基本粒子的一种，带正电荷，质量和电子相等，是电子的反粒子。最早是由狄拉克从理论上预言的。1932年8月2日，美国加州理工学院的安德森等人向全世界庄严宣告，他们发现了正电子。正电子的发现是利用云雾室来观测的。在云雾室中充入过饱和的乙醚气，当物质放射出正电子时，正电子穿过云雾室，在正电子运行轨道中出现液滴线，通过外加磁场测量正电子的偏转方向及半径就可以知道它的带电符号，及荷质比（带电量与质量的比值）从而确定正电子的性质。正电子的发现开辟了反物质领域的研究。
基本信息
中文名
正电子
外文名
positive electron
所属学科
物理
别称
阳电子
简介
其实在安德森之前，曾有一对夫妇科学家——约里奥·居里夫妇（皮埃尔·居里夫妇的女婿与女儿）首先观察到正电子的存在，但这并未引起他们的重视，从而错过了这一伟大发现。这对居里夫妇也为人类作出过杰出贡献，他们除错过了正电子的发现外，还同样错过了中子的发现及核裂变的发现，以致于三次走到诺贝尔物理学奖的门槛前而终未能破门而入。但因他们在放射性方面的杰出贡献，他们仍获得了1935年的诺贝尔化学奖。
正电子，其质量为m=9.1×10-31千克，电量为g=+1.6×10-19库仑，自旋与电子相同。正电子是如何被检测出来的呢？这就要借助于电磁场中的云雾室了。
正电子
应用
我们知道，每一种物质都存在饱和蒸汽压，当外界压强大于该物质的饱和蒸汽压时，这种物质的蒸汽就开始凝结成液滴。但是如果蒸汽很纯净，这时即使外界压强超过了它的饱和蒸汽压，蒸汽却不会自动凝结，这就成了过饱和气体。如果这时在过饱和气体中加上一个很小的扰动，如带电粒子的存在或其它杂质的存在，气体就会以这个杂质为核心迅速凝结成小液滴。因此当带电粒子在过饱和蒸汽中飞行时，蒸汽就会沿着粒子飞行的径迹凝结，从而我们通过观测这些液滴的轨迹，就可以知道粒子的运动情况，这就是云雾室，是由著名物理学家威尔逊发明的，因此又名威尔逊云室。
定义
正电子（Positron,e+），又称阳电子
正电子是电子的反粒子，除带正电荷外，其它性质与电子相同。正电子是不稳定粒子，遇到电子会与之发生湮灭（Annihilation），放出两个伽玛光子(gamma ray photon)，每个能量为0.511MeV 。当正电子与原子核接触时，就会与核外电子发生湮灭，这就是正电子炮的原理。正电子不是地球上物质的基本成分。正电子虽然比较稳定，但一碰到电子就会很快湮灭而转变为光子，所以不容易观测到。
正电子的发现使人联想到是否存在反质子，反中子......,已经证实每种粒子都存在一种和它对应的反粒子。
有人设想，用反粒子制造反物质(例如反氢原子),上述粒子的获得，是向制造反氢原子迈进的很大的一步。物质和反物质的结合中(湮灭中),可释放大量的能量(比核能高几个数量级),未来宇宙飞船有可能携带某种物质和这种物质的反物质作为能源。
若要实现人类载人火星探索的伟大梦想，我们需要数吨化学燃料，相反，若使用反物质，则仅需数十毫克，理论速度极限可达光速的十分之一。然而，事实上，这种动力的诞生也伴随着代价。有些反物质的反应会生成大量高能伽马射线。伽马射线能分解细胞内分子，因此，它们会对人体有害。另外，高能伽马射线由于会使制造发动机材料的原子破裂，会让发动机本身也具有放射性。
正电子
发现过程
理论发现
正电子虽然有了理论预言，但在实验上还未发现。19世纪30年代的科学界不轻易承认新粒子的存在。而是认为带正电的粒子只有质子，所以有人认为狄拉克方程中所出现的带正电的粒子很可能就是质子，不然为什么在实验上没有发现呢？这个想法包括狄拉克本人也曾有过。
实验发现
时隔不久，1932年狄拉克的预言很快被实验证实了，那是美国物理学家安德森（1905—1991）在研究宇宙射线在磁场中的偏转情况时发现的。当时，他正同密立根（基本电荷的测定者）一起研究宇宙线是电磁辐射还是粒子的问题。那时大多数人同意康普顿的论证，认为宇宙射线是带电粒子，密立根对此很不满意。安德森于是想弄清楚进入云室的宇宙射线在强磁场作用下会不会转弯。他在云室中拍摄了一张照片，这张照片使他一夜没合眼。他发现，宇宙射线进入云室穿过铅板后，轨迹确实发生了弯曲，而且，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全一样，但是弯曲的方向却“错”了。这就是说，这种前所未知的粒子与电子的质量相同，但电荷却相反，而这恰好是狄拉克所预言的正电子。当时安德森并不知道狄拉克的预言，他把所发现的粒子叫做“正电子”。第二年，安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子，从而从实验上完全证实了正电子的存在。从此以后，正电子便正式列入了基本粒子的行列。
赵忠尧是第一个观测到正反物质湮灭的人，也是物理学史上第一个发现了反物质的物理学家。这个发现足以使赵忠尧获得诺贝尔奖，当时瑞典皇家学会也曾郑重考虑过授予他诺贝尔奖。不幸的是，有一位在德国工作的物理学家对赵忠尧的成果提出了疑问，虽然后来事实证明赵忠尧的结果是完全准确的，错误的是提出疑问的科学家，但这却影响了赵忠尧的成果被进一步确认。1936年，为了表彰正电子的发现这一重要成就，瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授予了1932年在云雾室中观测到正电子径迹的安德逊，而不是1930年首先发现了正负电子湮灭的赵忠尧。（安德逊也承认，当他的同学赵忠尧的实验结果出来的时候，他正在赵忠尧的隔壁办公室，当时他就意识到赵忠尧的实验结果已经表明存在着一种人们尚未知道的新物质，他的研究是受赵忠尧的启发才做的。）当然，后来，作为正电子的发现者被证明（在赵老逝世前一年，终于可以告慰世人和赵老英魂）。
电子对的产生及湮灭使人们对基本粒子的认识发生了重大的变化，人们不得不重新考虑究竟什么是基本粒子问题。本来基本粒子意味着这些粒子是构成物质最基本的、不可再分的单元，象电子这样的基本粒子既不能产生，也不会消灭。然而，发现在适当的条件下，正、负电子对可以成对地产生或湮灭，也就是说可以相互转化。物质的各种形态可以相互转变，这在认识上无疑是个巨大的飞跃。在这以后又发现了更多的反粒子，因而更多的事实反复证实了这一规律。
1936年，安德森因发现正电子而获得了该年度的诺贝尔物理奖，时年仅为31岁。
产生
光子转变
在T=5*10^9K的温度下光子可以较高程度的反应生成正负电子对，体系热平衡时正电子数量和光子数量大致相等。
核聚变
恒星们主要的核反应就会释放出正电子，比如我们的太阳，其中每时每刻都在发生如下反应：四个质子聚合成1个氦核，同时释放出两个电子中微子和两个正电子。
衰变
比如放射性同位素磷30就会通过正β衰变释放正电子。
其他方法
利用能量高于1兆电子伏的γ射线辐射铅板、薄金属箔、气态媒质等都有可能观察到正电子的出现。
发射断层成像
正电子发射断层成像(PositronEmissionTomography)系统是利用正电子同位素衰变产生出的正电子与人体内负电子发生湮灭效应这一现象，通过向人体内注射带有正电子同位素标记的化合物，采用符合探测的方法，探测湮灭效应所产生的γ光子，得到人体内同位素的分布信息，由计算机进行重建组合运算，从而得到人体内标记化合物分布的三维断层图像。
PET是直接对脑功能造影的技术，其基本原理是：给被试注射含放射性同位素的示踪物，同位素放出的正电子，与脑内的负电子发生湮灭而释放出γ-射线。通过记录γ-射线在大脑中的位置分布，可以测量区域脑代谢率（rCMR）和区域脑血流（rCBF）的改变，以此反映大脑的功能活动变化。
PET可用于精神分裂症、抑郁症、毒品成瘾症等的鉴别诊断、了解患者脑代谢情况及功能状态，如精神分裂症患者额叶、颞叶、海马基底神经节功能异常等。应用PET显像，可以测定脑内多巴胺等多种受体，从分子的水平上揭示了疾病的本质。这是其他方法所不能比拟的。
PET的局限性：成像时间较长(至少要几十秒)，只能采用区组设计（Blockdesign）的实验模式；成像时受放射性同位素的限制，不适用于单个被试的重复研究。同一被试不宜频繁参加实验，不利于那些需要被试多次参加实验的研究；系统造价很高，除PET扫描机外，一般还需配备一台加速器，用以制备半衰期只有123s的15O等同位素。
有关贡献
1928年狄拉克把相对论引进了量子力学，建立了相对论形式的薛定谔方程，也就是著名的狄拉克方程。这一方程具有两个特点：一是满足相对论的所有要求，适用于运动速度无论多快电子；二是它能自动地导出电子有自旋的结论。这一方程的解很特别，既包括正能态，也包括负能态。狄拉克由此做出了存在正电子的预言，认为正电子是电子的一个镜像，它们具有严格相同的质量，但是电荷符号相反。狄拉克根据这个图象，还预料存在着一个电子和一个正电子互相湮灭放出光子的过程；相反，这个过程的逆过程，就是两个光子湮灭产生出一个电子和一个正电子的过程也是可能存在的。1932年，美国物理学家安德森（1923-）在研究宇宙射线簇射中高能电子径迹的时候，奇怪地发现强磁场中有一半电子向一个方向偏转，另一半向相反方向偏转，经过仔细辨认，这就是狄拉克预言的正电子。后来很快又发现了γ射线产生电子对，正、负电子碰撞“湮灭”成光子等现象，全面印证了狄拉克预言的正确性。狄拉克的工作，开创了反粒子和反物质的理论和实验研究。正电子就这样从理论上被推导了出来。