Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Позитронно или антиэлектрон является античастицей или антиматерии двойник электрона . Позитрон имеет электрический заряд +1  е , спин 1/2 (такой же, как у электрона) и такую ​​же массу, как и 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 путем радиоактивного распада позитронного излучения (через слабые взаимодействия ) или путем образования пар из достаточно энергичного фотона, который взаимодействует с атомом в материале.

История [ править ]

Теория [ править ]

В 1928 году Поль Дирак опубликовал статью [2], в которой предполагалось, что электроны могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд. В этой статье представлено уравнение Дирака , объединение квантовой механики, специальной теории относительности и новой тогда концепции спина электрона для объяснения эффекта Зеемана . В статье не было явного предсказания новой частицы, но разрешено использование электронов с положительной или отрицательной энергией в качестве растворов. Затем Герман Вейль опубликовал статью, в которой обсуждались математические последствия решения с отрицательной энергией. [3]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 пока не наблюдался. [ необходима цитата ]

В декабре 1929 года Дирак написал следующую статью [4], 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 если бы он нес 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 заряд). В статье также исследовалась возможность протонногобыть островом в этом море, и что на самом деле это может быть электрон с отрицательной энергией. Дирак признал, что протон, имеющий гораздо большую массу, чем электрон, был проблемой, но выразил «надежду», что будущая теория решит эту проблему. [ необходима цитата ]

Роберт Оппенгеймер решительно возражал против того, чтобы протон был электронным решением уравнения Дирака с отрицательной энергией. Он утверждал, что если бы это было так, атом водорода быстро самоуничтожился бы. [5] 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 что взаимно аннигилируют при контакте с электроном. [6]

Фейнман и ранее Штюкельберг предложили интерпретацию позитрона как электрона, движущегося назад во времени [7], переосмыслив решения уравнения Дирака с отрицательной энергией. Электроны, движущиеся назад во времени, будут иметь положительный электрический заряд . Уилер использовал эту концепцию для объяснения идентичных свойств, присущих всем электронам, предполагая, что «все они - один и тот же электрон» со сложной самопересекающейся мировой линией . [8] Ёитиро Намбу позже применил его ко всему производству и уничтожению.пар частица-античастица, заявляя, что «возможное создание и уничтожение пар, которое может происходить время от времени, - это не создание или уничтожение, а только изменение направления движущихся частиц из прошлого в будущее или из будущего в прошлое." [9] Обратный взгляд 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. [ необходима цитата ]

Экспериментальные подсказки и открытия [ править ]

Камеры Облака Вильсона были очень важными детекторами частиц на заре физики элементарных частиц . Они использовались при открытии позитрона, мюона и каона .

Некоторые источники утверждают, что Дмитрий Скобельцын впервые наблюдал позитрон задолго до 1930 года [10] или даже еще в 1923 году. [11] Они утверждают, что, используя камеру Вильсона [12] для изучения эффекта Комптона , Скобельцын обнаружил частицы, которые действовали как электроны, но изгибались в противоположном направлении в приложенном магнитном поле, и что он представил фотографии этого явления на конференции в Кембридже 23-27 июля 1928 года. В своей книге [13] по истории позитрона открытие 1963 года, Норвуд Рассел Хэнсондал подробный отчет о причинах этого утверждения, и это могло быть источником мифа. Но он также представил возражение Скобельцына в приложении. [14] Позже Скобельцын отверг это утверждение еще сильнее, назвав его «сплошным бредом». [15]

Скобельцын сделал проложить путь к возможному открытию позитрона двух важных вкладов: добавление магнитного поля к его камере Вильсона (в 1925 г. [16] ), а также путем обнаружения заряженных частиц космических лучей , [17] , для которого ему приписывают в Нобелевская лекция Карла Андерсона. [18] Скобельцин действительно наблюдал вероятные следы позитронов на изображениях, сделанных в 1931 году, [19] но не идентифицировал их как таковые в то время.

Точно так же в 1929 году Чун-Яо Чао , аспирант Калифорнийского технологического института , заметил некоторые аномальные результаты, которые указали на то, что частицы ведут себя как электроны, но с положительным зарядом, хотя результаты были неубедительными, и это явление не исследовалось. [20]

Карл Дэвид Андерсон открыл позитрон 2 августа 1932 года [21], за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году. [22] Андерсон не ввел термин позитрон , но разрешил его по предложению редактора журнала Physical Review который он представил свою статью об открытии в конце 1932 года. Позитрон был первым свидетельством существования антивещества и был открыт, когда Андерсон позволил космическим лучам проходить 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 фотопластинке с кривизной, соответствующей отношению массы к заряду.электрона, но в направлении, показывающем, что его заряд был положительным. [23]

Андерсон ретроспективно писал, что позитрон мог быть открыт раньше на основе работы Чун-Яо Чао, если бы за ней последовали дальнейшие исследования. [20] Фредерик и Ирен Жолио-Кюри в Париже имели доказательства позитронов на старых фотографиях, когда появились результаты Андерсона, но они отклонили их как протоны. [23]

Позитрон был также одновременно открыт Патриком Блэкеттом и Джузеппе Оккиалини в лаборатории Кавендиша в 1932 году. Блэкетт и Оккиалини отложили публикацию, чтобы получить более веские доказательства, поэтому Андерсон смог опубликовать открытие первым. [24]

Естественное производство [ править ]

Позитроны образуются естественным образом в результате β + -распада природных радиоактивных изотопов (например, калия-40 ) и при взаимодействии гамма-квантов (испускаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино является еще один вид античастицы производимой естественной радиоактивности (& beta ; - распад). Множество различных видов античастиц также производятся космическими лучами (и содержатся в них) . 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. [25]Модуль PAMELA также обнаружил, что антипротоны существуют в поясах Ван Аллена вокруг Земли . [26] [27]

Античастицы, из которых наиболее распространены позитроны из-за их малой массы, также образуются в любой среде с достаточно высокой температурой (средняя энергия частиц выше порога 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 [28], также называемого барионной асимметрией , приписывается CP-нарушению : нарушению CP-симметрии, связывающей материю с антивеществом. Точный механизм этого нарушения при бариогенезе остается загадкой. [29]

Производство позитронов из радиоактивных β+распад можно рассматривать как искусственное, так и естественное образование, поскольку образование радиоизотопа может быть естественным или искусственным. Возможно, наиболее известным естественным радиоизотопом, который производит позитроны, является калий-40 , долгоживущий изотоп калия, который встречается как первичный изотоп калия. Несмотря на небольшой процент калия (0,0117%), это единственный наиболее распространенный радиоизотоп в организме человека. В теле человека массой 70 кг в секунду распадается около 4 400 ядер 40 К. [30] Активность природного калия составляет 31 Бк / г. [31] Около 0,001% из этих 40K-распады производят около 4000 естественных позитронов в день в организме человека. [32] Эти позитроны вскоре находят электрон, подвергаются аннигиляции и производят пары фотонов с энергией 511 кэВ в процессе, аналогичном (но с гораздо меньшей интенсивностью) процессу, который происходит во время процедуры ядерной медицины ПЭТ-сканирования . [ необходима цитата ]

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. [33] [34] [35]

Наблюдение в космических лучах [ править ]

Спутниковые эксперименты показали наличие позитронов (а также нескольких антипротонов) в первичных космических лучах, составляющих менее 1% частиц в первичных космических лучах. Они не кажутся продуктами большого количества антивещества от 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. [ необходима цитата ]

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. [36] [37] 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. [38] [39]Было высказано предположение, что эти результаты интерпретации связаны с рождением позитронов в событиях аннигиляции массивных частиц темной материи . [40]

Позитроны, как и антипротоны, похоже, не происходят из каких-либо гипотетических "антивещественных" областей Вселенной. Напротив, нет никаких доказательств 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 запущен в космос на борту космического корабля " Дискавери" на STS-91 в июне 1998 года. Не обнаружив никакого антигелия , AMS-01 установил верхний предел 1,1 × 10 - 6 для отношения потоков антигелия к гелию . [41]

Искусственное производство [ править ]

Физики из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии использовали короткий сверхмощный лазер для облучения золотой мишени миллиметровой толщины и получения более 100 миллиардов позитронов. [42] В настоящее время значительное лабораторное производство позитронно-электронных пучков с энергией 5 МэВ позволяет исследовать множество характеристик, таких как то, как различные элементы реагируют на взаимодействия или удары позитронов с энергией 5 МэВ, как энергия передается частицам и ударный эффект гамма-всплесков ( GRB). [43]

Приложения [ править ]

Определенные виды экспериментов с ускорителями частиц включают столкновение позитронов и электронов с релятивистскими скоростями. Высокая энергия удара и взаимная аннигиляция этих противоположностей материи и антивещества создают фонтан разнообразных субатомных частиц. Физики изучают результаты этих столкновений, чтобы проверить теоретические предсказания и найти новые виды частиц. [ необходима цитата ]

В АЛЬФА - эксперимент комбинаты позитроны с антипротонов изучить свойства антиводорода . [ необходима цитата ]

Гамма-излучение, косвенно испускаемое позитронно-излучающим радионуклидом (индикатор), обнаруживается в сканерах позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), используемых в больницах. Сканеры ПЭТ создают подробные трехмерные изображения метаболической активности в организме человека. [44]

Экспериментальный инструмент, называемый позитронной аннигиляционной спектроскопией (PAS), используется в исследованиях материалов для обнаружения изменений плотности, дефектов, смещений или даже пустот в твердом материале. [45]

См. Также [ править ]

  • Бета-частица
  • Ловушка буферного газа для позитронов.
  • Список частиц
  • Позитроний
  • Позитронный мозг

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Исходный источник CODATA:
    Mohr, PJ; Тейлор, Б.Н.; Ньюэлл, ДБ (2008). «CODATA рекомендуемые значения фундаментальных физических констант». Обзоры современной физики . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Bibcode : 2008RvMP ... 80..633M . CiteSeerX  10.1.1.150.1225 . DOI : 10.1103 / RevModPhys.80.633 .
    Индивидуальные физические константы из CODATA доступны по адресу:
    «Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности» . Национальный институт стандартов и технологий . Проверено 24 октября 2013 года .
  2. ^ Дирак, PAM (1928). «Квантовая теория электрона» . Труды Королевского общества А . 117 (778): 610–624. Bibcode : 1928RSPSA.117..610D . DOI : 10.1098 / rspa.1928.0023 .
  3. ^ Вейль, Х. (1929). «Гравитация и электрон» . PNAS . 15 (4): 323–334. Bibcode : 1929PNAS ... 15..323W . DOI : 10.1073 / pnas.15.4.323 . PMC 522457 . PMID 16587474 .  
  4. Перейти ↑ Dirac, PAM (1930). «Теория электронов и протонов» . Труды Королевского общества А . 126 (801): 360–365. Bibcode : 1930RSPSA.126..360D . DOI : 10.1098 / RSPA.1930.0013 .
  5. ^ Клоуз, Ф. (2009). Антивещество . Издательство Оксфордского университета . п. 46. ISBN 978-0-19-955016-6.
  6. ^ Дирак, PAM (1931). «Квантовые особенности в квантовом поле» . Труды Королевского общества А . 133 (821): 60–72. Полномочный код : 1931RSPSA.133 ... 60D . DOI : 10.1098 / rspa.1931.0130 .
  7. ^ Фейнман, Р. (1949). «Теория позитронов». Физический обзор . 76 (6): 749–759. Полномочный код : 1949PhRv ... 76..749F . DOI : 10.1103 / PhysRev.76.749 .
  8. Перейти ↑ Feynman, R. (11 декабря 1965 г.). Развитие пространственно-временного взгляда на квантовую электродинамику (речь). Нобелевская лекция . Проверено 2 января 2007 года .
  9. Перейти ↑ Nambu, Y. (1950). «Использование собственного времени в квантовой электродинамике I» . Успехи теоретической физики . 5 (1): 82–94. Bibcode : 1950PThPh ... 5 ... 82N . DOI : 10.1143 / PTP / 5.1.82 .
  10. ^ Уилсон, Дэвид (1983). Резерфорд, простой гений . Ходдер и Стоутон. С. 562–563. ISBN 0-340-23805-4.
  11. ^ Клоуз, Ф. (2009). Антивещество . Издательство Оксфордского университета . С. 50–52. ISBN 978-0-19-955016-6.
  12. Перейти ↑ Cowan, E. (1982). «Картина, которая не была перевернута» . Инженерия и наука . 46 (2): 6–28.
  13. ^ Хэнсон, Норвуд Рассел (1963). Понятие о позитроне . Издательство Кембриджского университета . С. 136–139. ISBN 978-0-521-05198-9.
  14. ^ Хэнсон, Норвуд Рассел (1963). Понятие о позитроне . Издательство Кембриджского университета . С. 179–183. ISBN 978-0-521-05198-9.
  15. ^ Браун, Лори М .; Ходдсон, Лилиан (1983). Рождение физики элементарных частиц . Издательство Кембриджского университета . С. 118–119. ISBN 0-521-24005-0.
  16. Базилевская, Г.А. (2014). «Скобельцын и первые годы физики космических частиц в Советском Союзе». Физика астрономических частиц . 53 : 61–66. DOI : 10.1016 / j.astropartphys.2013.05.007 .
  17. Скобельцын, Д. (1929). "Uber eine neue Art sehr schneller beta-Strahlen". Z. Phys . 54 : 686–702. DOI : 10.1007 / BF01341600 . S2CID 121748135 . 
  18. ^ Андерсон, Карл Д. (1936). «Производство и свойства позитронов» . Дата обращения 10 августа 2020 .
  19. ^ Скобельцын, D. (1934). «Положительные электронные треки». Природа . 133 (3349): 23–24. DOI : 10.1038 / 133023a0 . S2CID 4226799 . 
  20. ^ a b Merhra, J .; Рехенберг, Х. (2000). Историческое развитие квантовой теории, том 6: завершение квантовой механики, 1926–1941 . Springer. п. 804. ISBN 978-0-387-95175-1.
  21. Перейти ↑ Anderson, CD (1933). «Положительный электрон» . Физический обзор . 43 (6): 491–494. Bibcode : 1933PhRv ... 43..491A . DOI : 10.1103 / PhysRev.43.491 .
  22. ^ "Нобелевская премия по физике 1936" . Проверено 21 января 2010 года .
  23. ^ a b Гилмер, П.Дж. (19 июля 2011 г.). «Ирен Жолит-Кюри, лауреат Нобелевской премии в области искусственной радиоактивности» (PDF) . п. 8. Архивировано из оригинального (PDF) 19 мая 2014 года . Проверено 13 июля 2013 года .
  24. ^ «На волне физики: Резерфорд снова в Кембридже, 1919–1937» . Ядерный мир Резерфорда . Американский институт физики . 2011–2014 гг . Проверено 19 августа 2014 .
  25. Палмер, Дж. (11 января 2011 г.). «Антивещество, вытекшее из гроз на Земле» . BBC News . Архивировано 12 января 2011 года . Проверено 11 января 2011 года .
  26. ^ Адриани, O .; и другие. (2011). «Открытие геомагнитно захваченных антипротонов космических лучей» . Письма в астрофизический журнал . 737 (2): L29. arXiv : 1107.4882 . Bibcode : 2011ApJ ... 737L..29A . DOI : 10.1088 / 2041-8205 / 737/2 / L29 .
  27. ^ Тан, К. (10 августа 2011 г.). «Антивещество обнаружено на орбите Земли - первое» . Национальное географическое общество . Проверено 12 августа 2011 года .
  28. ^ "Что случилось с антиматерией?" . НАСА . 29 мая 2000 года Архивировано из оригинала 4 июня 2008 года . Проверено 24 мая 2008 года .
  29. ^ «Загадка материи остается нерешенной: протон и антипротон имеют общие фундаментальные свойства» . Университет Йоханнеса Гутенберга в Майнце. 19 октября 2017.
  30. ^ "Радиация и радиоактивный распад. Радиоактивное человеческое тело" . Демонстрации лекций Гарварда по естественным наукам . Проверено 18 мая 2011 года .
  31. ^ Винтергхэм, FPW (1989). Радиоактивные выпадения в почвах, сельскохозяйственных культурах и продуктах питания . Продовольственная и сельскохозяйственная организация . п. 32. ISBN 978-92-5-102877-3.
  32. ^ Engelkemeir, DW; Флинн, KF; Гленденин, Л.Е. (1962). «Излучение позитронов при распаде K 40 ». Физический обзор . 126 (5): 1818. Bibcode : 1962PhRv..126.1818E . DOI : 10.1103 / PhysRev.126.1818 .
  33. ^ "Электрон-позитронные струи, связанные с Quasar 3C 279" (PDF) .
  34. ^ «Огромное облако антиматерии, прослеженное до двойных звезд» . НАСА.
  35. ^ https://www.youtube.com/watch?v=Sw-og52UUVg начало ЧЕТЫРЕ минуты видео: Стрелец производит 15 миллиардов тонн электрон-позитронной материи в секунду.
  36. ^ Accardo, L .; и другие. (Сотрудничество с AMS) (2014). «Высокостатистическое измерение доли позитронов в первичных космических лучах 0,5–500 ГэВ с помощью альфа-магнитного спектрометра на Международной космической станции» (PDF) . Письма с физическим обзором . 113 (12): 121101. Bibcode : 2014PhRvL.113l1101A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.113.121101 . PMID 25279616 .  
  37. ^ Ширбер, М. (2014). "Сводка: Космические лучи дают больше намеков на темную материю?" . Письма с физическим обзором . 113 (12): 121102. arXiv : 1701.07305 . Bibcode : 2014PhRvL.113l1102A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.113.121102 . ЛВП : 1721,1 / 90426 . PMID 25279617 . S2CID 2585508 .  
  38. ^ «Новые результаты альфа-магнитного спектрометра на Международной космической станции» (PDF) . AMS-02 в НАСА . Проверено 21 сентября 2014 года .
  39. ^ "Позитронная фракция" .
  40. ^ Агилар, М .; и другие. (2013). «Первый результат альфа-магнитного спектрометра на Международной космической станции: прецизионное измерение доли позитронов в первичных космических лучах 0,5–350 ГэВ» (PDF) . Письма с физическим обзором . 110 (14): 141102. Bibcode : 2013PhRvL.110n1102A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.110.141102 . PMID 25166975 .  
  41. ^ Агилар, М .; и другие. ( Сотрудничество AMS ) (2002). «Альфа-магнитный спектрометр (AMS) на Международной космической станции: Часть I - результаты испытательного полета на космическом шаттле». Отчеты по физике . 366 (6): 331–405. Bibcode : 2002PhR ... 366..331A . DOI : 10.1016 / S0370-1573 (02) 00013-3 . ЛВП : 2078,1 / 72661 .
  42. Перейти ↑ Bland, E. (1 декабря 2008 г.). «Лазерная техника производит массу антивещества» . NBC News . Проверено 6 апреля +2016 . Ученые LLNL создали позитроны, выстрелив мощным лазером Titan в кусок золота толщиной в один миллиметр.
  43. ^ https://lasers.llnl.gov/workshops/user_group_2012/docs/7.3_chen.pdf Лабораторное производство позитронно-электронных пучков 5 МэВ
  44. Перейти ↑ Phelps, ME (2006). ПЭТ: физика, приборы и сканеры . Springer. С. 2–3. ISBN 978-0-387-32302-2.
  45. ^ «Введение в позитронные исследования» . Колледж Святого Олафа . Архивировано из оригинального 5 -го августа 2010 года.

Внешние ссылки [ править ]

  • Что такое позитрон? (из раздела "Часто задаваемые вопросы" :: Центр исследований антиматерии)
  • Сайт о позитронах и антивеществе
  • Поиск позитронной информации в SLAC
  • Аннигиляция позитронов как метод экспериментальной физики, используемый в материаловедении.
  • Новый метод производства позитронов в больших количествах
  • Сайт об антивеществе (позитроны, позитроний и антиводород). Позитронная лаборатория, Комо, Италия
  • Веб-сайт AEgIS: Эксперимент с антивеществом: гравитация, интерферометрия, спектроскопия, ЦЕРН
  • Синопсис: Настольный ускоритель частиц ... новый настольный метод генерации электронно-позитронных потоков.