Войти
 Фотография камеры Вильсона, сделанная С. Д. Андерсон из первого когда-либо идентифицированного позитрона. Камера разделяет свинцовая пластина диаметром 6 мм. Отклонение и направление следа иона частицы указывают на то, что частица является позитроном. | |
| Состав | Элементарная частица |
|---|---|
| Статистика | Фермионный |
| Поколение | Первое |
| Взаимодействие | Гравитация, Электромагнитный, Слабый |
| Символ | . e.,. β. |
| Античастица | Электрон |
| Теоретически обоснованный | Поль Дирак (1928) |
| Обнаружен | Карл Д. Андерсон (1932) |
| Масса | me 9,10938356 (11) × 10 kg. 5,485799090 (16) × 10 u. 0,5109989461 (13) МэВ / c |
| Электрический заряд | +1 e. +1.602176565 (35) × 10 C |
| Спин | 1/2 (то же, что и электрон) |
позитрон или антиэлектрон - это античастица или антивещество, аналог электрона. Позитрон имеет электрический заряд +1 e, спин 1/2 (такой же, как у электрона), и имеет такое же масса как электрон. Когда позитрон сталкивается с электроном, происходит аннигиляция. Если это столкновение происходит при низких энергиях, оно приводит к образованию двух или более фотонов.
Позитроны могут быть созданы излучением позитрона радиоактивным распадом (через слабые взаимодействия ), или путем образования пар из достаточно энергичного фотона, который взаимодействует с атомом в материале.
В 1928 году Поль Дирак опубликовал статью, в которой предполагалось, что электроны могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд. Эта статья представила уравнение Дирака, объединение квантовой механики, специальной теории относительности и новую тогда концепцию электронного спина, чтобы объяснить зеемановский эффект. В статье не было явного предсказания новой частицы, но разрешено использование электронов с положительной или отрицательной энергией в качестве растворов. Герман Вейль затем опубликовал статью, в которой обсуждались математические последствия решения с отрицательной энергией. Решение с положительной энергией объяснило экспериментальные результаты, но Дирак был озадачен столь же достоверным решением с отрицательной энергией, которое допускала математическая модель. Квантовая механика не позволяла просто игнорировать решение с отрицательной энергией, как это часто делала классическая механика в таких уравнениях; двойственное решение подразумевало возможность спонтанного перехода электрона между состояниями с положительной и отрицательной энергией. Однако экспериментально такой переход еще не наблюдался.
Дирак написал следующую статью в декабре 1929 года, в которой попытался объяснить неизбежное решение с отрицательной энергией для релятивистского электрона. Он утверждал, что «... электрон с отрицательной энергией движется во внешнем [электромагнитном] поле, как будто он несет положительный заряд». Далее он утверждал, что все пространство можно рассматривать как «море» состояний с отрицательной энергией, которые были заполнены, чтобы предотвратить скачки электронов между состояниями с положительной энергией (отрицательный электрический заряд) и состояниями с отрицательной энергией (положительный плата). В статье также исследуется возможность того, что протон является островом в этом море, и что он на самом деле может быть электроном с отрицательной энергией. Дирак признал, что протон, имеющий намного большую массу, чем электрон, был проблемой, но выразил «надежду», что будущая теория разрешит проблему.
Роберт Оппенгеймер решительно возражал против того, чтобы протон был электроном с отрицательной энергией. решение уравнения Дирака. Он утверждал, что если бы это было так, атом водорода быстро самоуничтожился бы. Убежденный аргументом Оппенгеймера, Дирак опубликовал в 1931 году статью, в которой предсказывалось существование еще не наблюдаемой частицы, которую он назвал «антиэлектрон», которая будет иметь ту же массу и противоположный заряд, что и электрон, и которая взаимно аннигилирует. при контакте с электроном.
Фейнман и ранее Штюкельберг предложили интерпретацию позитрона как электрона, движущегося назад во времени, переосмысливая решения уравнения Дирака с отрицательной энергией. Электроны, движущиеся назад во времени, будут иметь положительный электрический заряд. Уиллер использовал эту концепцию для объяснения идентичных свойств, присущих всем электронам, предполагая, что «все они - один и тот же электрон» со сложной, самопересекающейся мировой линией. Йоитиро Намбу позже применил его ко всему производству и уничтожению пар частицы-античастицы, заявив, что «возможное создание и уничтожение пар, которое может происходить время от времени, не является созданием или уничтожением., но только изменение направления движущихся частиц из прошлого в будущее или из будущего в прошлое ". Взгляд назад во времени в настоящее время считается полностью эквивалентным другим изображениям, но он не имеет ничего общего с макроскопическими терминами «причина» и «следствие», которые не появляются в микроскопическом физическом описании.
Уилсон Туманные камеры были очень важными детекторами частиц на заре физики элементарных частиц. Они использовались при открытии позитрона, мюона и каона.. Некоторые источники утверждали, что Дмитрий Скобельцын впервые наблюдал позитрон задолго до 1930 г. или даже когда еще в 1923 году. Они заявляют, что, используя камеру Вильсона для изучения эффекта Комптона, Скобельцын обнаружил частицы, которые действовали как электроны, но искривлялись в противоположном направлении под действием приложенного магнитного поля. поле, и что он представил фотографии этого явления на конференции в Кембридже 23-27 июля 1928 года. В своей книге по истории открытия позитронов с 1963 года Норвуд Рассел Хэнсон дал подробный отчет о причинах этого утверждения, и это могло быть источником мифа. Но он также представил возражение Скобельцына в приложении. Позже Скобельцын отверг это утверждение еще сильнее, назвав его «не более чем полной ерундой».
Скобельцын проложил путь к открытию позитрона двумя важными вкладами: добавлением магнитного поля к своему облаку. камера (в 1925 г.), и обнаружив заряженные частицы космических лучей, за что ему приписывают нобелевскую лекцию Карла Андерсона. Скобельцин действительно наблюдал вероятные следы позитронов на изображениях, сделанных в 1931 году, но не идентифицировал их как таковые в то время.
Точно так же в 1929 году Чун-Яо Чао, аспирант Калтех, заметил некоторые аномальные результаты, которые указывали на то, что частицы ведут себя как электроны, но с положительным зарядом, хотя результаты были неубедительными, и это явление не было продолжено.
Карл Дэвид Андерсон открыл позитрон 2 августа 1932 года, за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году. Андерсон не ввел термин позитрон, но разрешил это по предложению редактора журнала Physical Review, которому он представил свою статью об открытии в конце 1932 года. Позитрон был первым свидетельством антивещества и был открыт, когда Андерсон разрешил космические лучи пройти через камеру Вильсона и свинцовую пластину. Магнит окружал это устройство, заставляя частицы изгибаться в разные стороны в зависимости от их электрического заряда. Ионный след, оставленный каждым позитроном, появлялся на фотографической пластинке с кривизной, соответствующей отношению массы к заряду электрона, но в направлении, показывающем, что его заряд был положительным.
Андерсон ретроспективно писал, что позитрон мог быть обнаружен раньше на основе работы Чун-Яо Чао, если бы только он был продолжен. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри в Париже имели свидетельства позитронов на старых фотографиях, когда появились результаты Андерсона, но они отклонили их как протоны.
Позитрон одновременно был открыт Патриком Блэкеттом и Джузеппе Оккиалини в лаборатории Кавендиша в 1932 году. Блэкетт и Оккиалини отложили публикацию, чтобы получить более убедительные доказательства, поэтому Андерсон смог опубликовать открытие первым.
Позитроны естественным образом образуются в β распада естественных радиоактивных изотопов (например, калий-40 ) и в i Взаимодействие гамма-квантов (испускаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино - это еще один вид античастиц, производимых естественной радиоактивностью (β-распад). Многие различные виды античастиц также образуются (и содержатся в) космических лучей. В исследовании, опубликованном в 2011 году Американским астрономическим обществом, были обнаружены позитроны, возникающие над грозовыми облаками; Позитроны образуются в гамма-вспышках, создаваемых электронами, ускоренными сильными электрическими полями в облаках. Также было обнаружено, что антипротоны существуют в поясах Ван Аллена вокруг Земли с помощью модуля ПАМЕЛА.
. Античастицы, из которых наиболее распространены позитроны из-за их малой массы, также производятся в любая среда с достаточно высокой температурой (средняя энергия частиц превышает порог образования пар ). В период бариогенезиса, когда Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, материя и антивещество непрерывно производились и уничтожались. Присутствие оставшегося вещества и отсутствие обнаруживаемого оставшегося антивещества, также называемое барионной асимметрией, приписывается CP-нарушению : нарушению CP-симметрии, связывающей материю с антивеществом. Точный механизм этого нарушения во время бариогенеза остается загадкой.
Производство позитронов в результате радиоактивного . β. распада можно рассматривать как искусственное, так и естественное производство, так как образование радиоизотопа может быть естественным или искусственным. Возможно, наиболее известным естественным радиоизотопом, производящим позитроны, является калий-40, долгоживущий изотоп калия, который встречается как первичный изотоп калия. Несмотря на небольшой процент калия (0,0117%), он является единственным наиболее распространенным радиоизотопом в организме человека. В теле человека массой 70 кг за секунду распадается около 4 400 ядер калия. Активность природного калия составляет 31 Бк / г. Около 0,001% этих распадов K производят около 4000 естественных позитронов в день в организме человека. Эти позитроны вскоре находят электрон, аннигилируют и производят пары фотонов с энергией 511 кэВ в процессе, аналогичном (но с гораздо меньшей интенсивностью) процессу, который происходит во время ПЭТ-сканирования ядерной медицины
Недавние наблюдения показывают, что черные дыры и нейтронные звезды производят огромное количество позитронно-электронной плазмы в астрофизических джетах. Большие облака позитронно-электронной плазмы также были связаны с нейтронными звездами.
Спутниковые эксперименты обнаружили доказательства наличия позитронов (а также нескольких антипротонов) в первичных космических лучах., что составляет менее 1% частиц в первичных космических лучах. Похоже, они не являются продуктами большого количества антивещества, образовавшегося в результате Большого взрыва, или действительно сложного антивещества во Вселенной (доказательства отсутствуют, см. Ниже). Скорее, антивещество в космических лучах, по-видимому, состоит только из этих двух элементарных частиц, вероятно образовавшихся в энергетических процессах спустя много времени после Большого взрыва.
Предварительные результаты действующего в настоящее время альфа-магнитного спектрометра ( AMS-02) на борту Международной космической станции показывают, что позитроны в космических лучах прибывают без направления и с энергиями в диапазоне от 0,5 ГэВ до 500 ГэВ. Доля позитронов достигает максимума около 16% от общего числа электрон + позитронных событий при энергии 275-32 ГэВ. При более высоких энергиях, до 500 ГэВ, соотношение позитронов и электронов снова начинает падать. Абсолютный поток позитронов также начинает падать до 500 ГэВ, но достигает пика при энергиях, намного превышающих энергии электронов, которые достигают максимума около 10 ГэВ. Было высказано предположение, что эти результаты интерпретации связаны с образованием позитронов в событиях аннигиляции массивных частиц темной материи.
Позитроны, как и антипротоны, по-видимому, не происходят из каких-либо гипотетических " антивещество "регионов Вселенной. Напротив, нет никаких свидетельств наличия сложных ядер атомов антивещества, таких как ядра антигелия (т.е. анти-альфа-частицы) в космических лучах. Их активно ищут. Прототип AMS-02, получивший обозначение AMS-01, был отправлен в космос на борту Space Shuttle Discovery на STS-91 в июне 1998 года. любой антигелий вообще, AMS-01 установил верхний предел 1,1 × 10 для отношения антигелия к гелию поток.
Физики из Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии использовали короткий сверхмощный лазер, чтобы облучить мишень из золота миллиметровой толщины и произвести более 100 миллиард позитронов. В настоящее время значительное лабораторное производство пучков позитронов и электронов с энергией 5 МэВ позволяет исследовать множество характеристик, таких как реакция различных элементов на взаимодействия или удары позитронов с энергией 5 МэВ, передача энергии частицам и ударный эффект гамма-всплесков (GRB).
Некоторые виды экспериментов с ускорителями частиц включают столкновение позитронов и электронов с релятивистскими скоростями. Высокая энергия удара и взаимная аннигиляция этих противоположностей материи / антивещества создают фонтан различных субатомных частиц. Физики изучают результаты этих столкновений, чтобы проверить теоретические предсказания и найти новые виды частиц.
Эксперимент ALPHA объединяет позитроны с антипротонами для изучения свойств антиводород.
Гамма-лучи, испускаемые косвенно позитронно-излучающим радионуклидом (индикатор), обнаруживаются в сканерах позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), используемых в больницах. Сканеры ПЭТ создают подробные трехмерные изображения метаболической активности в организме человека.
Экспериментальный инструмент, называемый позитронной аннигиляционной спектроскопией (PAS), используется в исследованиях материалов для обнаружения изменений плотности и дефектов., смещения или даже пустоты в твердом материале.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с позитронами. |
