Позитрон - Positron

Для использования в других целях см. Позитрон (значения).

Позитрон (антиэлектрон)
PositronDiscovery.png
Туманная камера фотография К. Д. Андерсон из первый позитрон, когда-либо идентифицированный. Камера разделяет свинцовая пластина диаметром 6 мм. Отклонение и направление следа иона частицы указывают на то, что частица является позитроном.
СочинениеЭлементарная частица
СтатистикаФермионный
ПоколениеПервый
ВзаимодействияСила тяжести, Электромагнитный, Слабый
Символ
е+
,
β+
АнтичастицаЭлектрон
ТеоретическиПоль Дирак (1928)
ОбнаруженныйКарл Д. Андерсон (1932)
Массаме

9.10938356(11)×10−31 кг[1]
5.485799090(16)×10−4 ты[1]

0.5109989461(13) МэВ /c2[1]
Электрический заряд+1 е
+1.602176565(35)×10−19 C[1]
Вращение1/2 (так же, как электрон)

В позитрон или же антиэлектрон это античастица или антивещество аналог электрон. Позитрон имеет электрический заряд из +1е, а вращение 1/2 (то же, что и электрон), и имеет такое же масса как электрон. Когда позитрон сталкивается с электроном, уничтожение происходит. Если это столкновение происходит при низких энергиях, оно приводит к образованию двух или более фотоны.

Позитроны могут быть созданы позитронное излучение радиоактивный распад (через слабые взаимодействия ) или парное производство из достаточно энергичного фотон который взаимодействует с атомом в материале.

История

Теория

В 1928 г. Поль Дирак опубликовал статью[2] предполагая, что электроны могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд. Эта статья представила Уравнение Дирака, объединение квантовой механики, специальная теория относительности, и тогда новая концепция электрона вращение объяснить Эффект Зеемана. 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.[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.[нужна цитата ]

Дирак написал следующую статью в декабре 1929 г.[4] это попыталось 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» отрицательных энергетических состояний которые были заполнены, чтобы предотвратить скачки электронов между состояниями с положительной энергией (отрицательный электрический заряд) и состояниями с отрицательной энергией (положительный заряд). В документе также исследовалась возможность протон быть островом в этом море, и что на самом деле это может быть электрон с отрицательной энергией. Дирак признал, что протон, имеющий намного большую массу, чем электрон, был проблемой, но выразил «надежду», что будущая теория решит эту проблему.[нужна 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 которая взаимно аннигилирует при контакте с электроном.[6]

Фейнман, и ранее Штюкельберг, предложил интерпретацию позитрона как электрона, движущегося назад во времени,[7] переосмысление решений 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 "они все один и тот же электрон" со сложным, самопересекающимся мировая линия.[8] Ёитиро Намбу позже применил его ко всей продукции и уничтожение пар частица-античастица, заявляя, что «возможное создание и уничтожение пар, которое может происходить время от времени, не является созданием или уничтожением, а лишь изменением направления движущихся частиц из прошлого в будущее или из будущего в прошлое."[9] 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.[нужна цитата ]

Экспериментальные подсказки и открытия

Уилсон Облачные камеры раньше было очень важно детекторы частиц в первые дни физика элементарных частиц. Они были использованы при открытии позитрона, мюон, и Каон.
Антивещество
PositronDiscovery.jpg

Несколько источников утверждали, что Дмитрий Скобельцын впервые наблюдал позитрон задолго до 1930 г.[10], или даже еще в 1923 году.[11] Они заявляют, что при использовании Wilson камера тумана[12] чтобы изучить Эффект Комптона Скобельцын обнаружил частицы, которые действовали как электроны, но искривлялись 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 открытия позитронов с 1963 г., Норвуд Рассел Хэнсон дал подробный отчет о причинах этого утверждения, и это, возможно, было источником мифа. Но он также представил возражение Скобельцына в приложении.[14] Позже Скобельцын отверг это утверждение еще решительнее, назвав его «сплошным бредом».[15]

Скобельцын проложил путь к открытию позитрона двумя важными вкладами: добавлением магнитного поля к своей камере Вильсона (в 1925 г.[16]), и обнаружив заряженную частицу космические лучи[17], за что он отмечен в нобелевской лекции 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 г. 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 изучено.[20]

Карл Дэвид Андерсон открыл позитрон 2 августа 1932 г.,[21] за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году.[22] Андерсон не придумал термин позитрон, но разрешил это по предложению Физический обзор редактора журнала, которому он представил свою статью об открытии в конце 1932 года. Позитрон был первым свидетельством антивещество 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 отношение 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, когда появились результаты Андерсона, были свидетельства позитронов на старых фотографиях, но они отклонили их как протоны.[23]

Позитрон был также открыт одновременно Патрик Блэкетт 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]

Натуральное производство

Основная статья: Позитронное излучение

Позитроны естественным образом образуются в β+ распады естественных радиоактивных изотопов (например, калий-40 ) и при взаимодействии гамма-квантов (испускаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино представляют собой еще один вид античастиц, производимых естественной радиоактивностью (β− разлагаться). Многие различные виды античастиц также производятся (и содержатся в них) космические лучи. В исследовании, опубликованном в 2011 г. Американское астрономическое общество были открыты позитроны, возникающие выше гроза облака; Позитроны образуются в гамма-вспышках, создаваемых электронами, ускоренными сильными электрическими полями в облаках.[25] Было также обнаружено, что антипротоны существуют в Ремни Van Allen вокруг Земли Модуль ПАМЕЛА.[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 больше, чем парное производство порог). В период бариогенезиса, когда Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, материя и антивещество непрерывно производились и уничтожались. Наличие оставшегося вещества и отсутствие обнаруживаемого оставшегося антивещества,[28] также называемый барионная асимметрия, приписывается CP-нарушение: нарушение CP-симметрии, относящейся к антивеществу. Точный механизм этого нарушения при бариогенезе остается загадкой.[29]

Производство позитронов из радиоактивных
β+
 разлагаться можно рассматривать как искусственное, так и естественное производство, так как образование радиоизотопа может быть естественным или искусственным. Возможно, наиболее известным изотопом природного происхождения, производящим 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 теле человека. В теле человека массой 70 кг около 4400 ядер 40K распада в секунду.[30] Активность природного калия 31 Бк /грамм.[31] Около 0,001% из них 40K-распады производят около 4000 естественных позитронов в день в организме человека.[32] Эти позитроны вскоре находят электрон, аннигилируют и производят пары фотонов с энергией 511 кэВ в процессе, аналогичном (но с гораздо меньшей интенсивностью) тому, что происходит во время ПЭТ сканирование ядерная медицина процедура.[нужна цитата ]

Недавние наблюдения показывают, что черные дыры и нейтронные звезды производят огромное количество позитронно-электронной плазмы в астрофизические джеты. Большие облака позитронно-электронной плазмы также были связаны с нейтронными звездами.[33][34][35]

Наблюдение в космических лучах

Основная статья: Космический луч

Спутниковые эксперименты показали наличие позитронов (а также нескольких антипротонов) в первичных космических лучах, составляющих менее 1% частиц в первичных космических лучах. Похоже, они не являются продуктом 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.[нужна цитата ]

Предварительные результаты действующих в настоящее время Альфа-магнитный спектрометр (AMS-02) на борту Международная космическая станция показывают, что позитроны в космических лучах прибывают без направленности 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 темная материя частицы.[40]

Позитроны, как и антипротоны, похоже, не происходят из каких-либо гипотетических «антивещественных» областей Вселенной. Напротив, нет никаких свидетельств существования сложных атомных ядер антивещества, таких как антигелий ядер (то есть анти-альфа-частиц) в космических лучах. Их активно ищут. Прототип AMS-02 назначенный АМС-01, был отправлен в космос на борту Космический шатл Открытие на СТС-91 в июне 1998 года. Не обнаружив ни одного антигелий вообще, АМС-01 установлен верхний предел 1,1 × 10−6 для антигелия к гелию поток соотношение.[41]

Искусственное производство

Физики на Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора в Калифорнии использовали короткие, ультра-интенсивные лазер облучить миллиметровый золото нацеливаться и производить 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-всплески (GRB).[43]

Приложения

Определенные виды ускоритель частиц эксперименты включают столкновение позитронов и электронов на релятивистских скоростях. Высокая энергия удара и взаимное уничтожение этих противоположностей материи и антивещества создают фонтан различных субатомных частиц. Физики изучают результаты этих столкновений, чтобы проверить теоретические предсказания и найти новые виды частиц.[нужна цитата ]

В АЛЬФА эксперимент сочетает позитроны с антипротоны изучить свойства антиводород.[нужна цитата ]

Гамма-лучи, испускаемые косвенно позитронно-излучающим радионуклидом (трассером), обнаруживаются в позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) сканеры, используемые в больницах. Сканеры ПЭТ создают подробные трехмерные изображения метаболической активности в организме человека.[44]

Экспериментальный инструмент под названием позитронная аннигиляционная спектроскопия (PAS) используется в исследованиях материалов для обнаружения изменений плотности, дефектов, смещений или даже пустот в твердом материале.[45]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Первоисточник CODATA:
    Mohr, P.J .; Taylor, B.N .; Ньюэлл, Д. Б. (2008). «CODATA рекомендуемые значения фундаментальных физических констант». Обзоры современной физики. 80 (2): 633–730. arXiv:0801.0028. Bibcode:2008РвМП ... 80..633М. CiteSeerX  10.1.1.150.1225. Дои: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. Получено 24 октября 2013.
  2. ^ Дирак, П.А.М. (1928). «Квантовая теория электрона». Труды Королевского общества А. 117 (778): 610–624. Bibcode:1928RSPSA.117..610D. Дои:10.1098 / RSPA.1928.0023.
  3. ^ Вейль, Х. (1929). «Гравитация и электрон». PNAS. 15 (4): 323–334. Bibcode:1929ПНАС ... 15..323Вт. Дои:10.1073 / pnas.15.4.323. ЧВК  522457. PMID  16587474.
  4. ^ Дирак, П.А.М. (1930). «Теория электронов и протонов». Труды Королевского общества А. 126 (801): 360–365. Bibcode:1930RSPSA.126..360D. Дои:10.1098 / rspa.1930.0013.
  5. ^ Клоуз, Ф. (2009). Антивещество. Oxford University Press. п. 46. ISBN  978-0-19-955016-6.
  6. ^ Дирак, П.А.М. (1931). «Квантовые особенности в квантовом поле». Труды Королевского общества А. 133 (821): 60–72. Bibcode:1931RSPSA.133 ... 60D. Дои:10.1098 / rspa.1931.0130.
  7. ^ Фейнман, Р. (1949). «Теория позитронов». Физический обзор. 76 (6): 749–759. Bibcode:1949ПхРв ... 76..749Ф. Дои:10.1103 / PhysRev.76.749.
  8. ^ Фейнман, Р. (11 декабря 1965 г.). Развитие пространственно-временного взгляда на квантовую электродинамику (Речь). Нобелевская лекция. Получено 2 января 2007.
  9. ^ Намбу, Ю. (1950). «Использование правильного времени в квантовой электродинамике I». Успехи теоретической физики. 5 (1): 82–94. Bibcode:1950PThPh ... 5 ... 82N. Дои: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. Oxford University Press. С. 50–52. ISBN  978-0-19-955016-6.
  12. ^ Коуэн, Э. (1982). «Картина, которая не была перевернута». Инженерия и наука. 46 (2): 6–28.
  13. ^ Хэнсон, Норвуд Рассел (1963). Концепция позитрона.. Издательство Кембриджского университета. С. 136–139. ISBN  978-0-521-05198-9.
  14. ^ Хэнсон, Норвуд Рассел (1963). Концепция позитрона.. Издательство Кембриджского университета. С. 179–183. ISBN  978-0-521-05198-9.
  15. ^ Браун, Лори М .; Ходдесон, 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. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2013.05.007.
  17. ^ Скобельцын, Д. (1929). "Uber eine neue Art sehr schneller beta-Strahlen". Z. Phys. 54: 686–702. Дои:10.1007 / BF01341600. S2CID  121748135.
  18. ^ Андерсон, Карл Д. (1936). «Производство и свойства позитронов». Получено 10 августа 2020.
  19. ^ Скобельцын, Д. (1934). «Положительные электронные треки». Природа. 133 (3349): 23–24. Дои:10.1038 / 133023a0. S2CID  4226799.
  20. ^ а б Merhra, J .; Рехенберг, Х. (2000). Историческое развитие квантовой теории, том 6: завершение квантовой механики, 1926–1941 гг.. Springer. п. 804. ISBN  978-0-387-95175-1.
  21. ^ Андерсон, К. Д. (1933). «Положительный электрон». Физический обзор. 43 (6): 491–494. Bibcode:1933ПхРв ... 43..491А. Дои:10.1103 / PhysRev.43.491.
  22. ^ "Нобелевская премия по физике 1936 г.". Получено 21 января 2010.
  23. ^ а б Гилмер, П. Дж. (19 июля 2011 г.). «Ирен Жолит-Кюри, лауреат Нобелевской премии по искусственной радиоактивности» (PDF). п. 8. Архивировано из оригинал (PDF) 19 мая 2014 г.. Получено 13 июля 2013.
  24. ^ «На волне физики: Резерфорд снова в Кембридже, 1919–1937». Ядерный мир Резерфорда. Американский институт физики. 2011–2014. Получено 19 августа 2014.
  25. ^ Палмер, Дж. (11 января 2011 г.). «Антивещество, вытекшее из гроз на Земле». Новости BBC. В архиве из оригинала 12 января 2011 г.. Получено 11 января 2011.
  26. ^ Adriani, O .; и другие. (2011). "Открытие геомагнитно захваченных антипротонов космических лучей". Письма в астрофизический журнал. 737 (2): L29. arXiv:1107.4882. Bibcode:2011ApJ ... 737L..29A. Дои:10.1088 / 2041-8205 / 737/2 / L29.
  27. ^ Тан, К. (10 августа 2011 г.). "Антивещество на орбите Земли - первое". Национальное географическое общество. Получено 12 августа 2011.
  28. ^ "Что случилось с антиматерией?". НАСА. 29 мая 2000 г. Архивировано с оригинал 4 июня 2008 г.. Получено 24 мая 2008.
  29. ^ «Загадка материи остается неразгаданной: протон и антипротон имеют общие фундаментальные свойства». Университет Иоганнеса Гутенберга в Майнце. 19 октября 2017.
  30. ^ «Радиация и радиоактивный распад. Радиоактивное тело человека». Демонстрации лекций по естественным наукам в Гарварде. Получено 18 мая 2011.
  31. ^ Винтергэм, Ф. П. У. (1989). Радиоактивные осадки в почве, сельскохозяйственных культурах и продуктах питания. Продовольственная и сельскохозяйственная организация. п. 32. ISBN  978-92-5-102877-3.
  32. ^ Engelkemeir, D. W .; Флинн, К. Ф .; Гленденин, Л. Э. (1962). «Излучение позитронов при распаде K40". Физический обзор. 126 (5): 1818. Bibcode:1962ПхРв..126.1818Э. Дои:10.1103 / PhysRev.126.1818.
  33. ^ «Электрон-позитронные струи, связанные с квазаром 3C 279» (PDF).
  34. ^ «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 физическими проверками. 113 (12): 121101. Bibcode:2014ПхРвЛ.113л1101А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.113.121101. PMID  25279616.
  37. ^ Ширбер, М. (2014). "Синопсис: Космические лучи дают больше намеков на темную материю?". Письма с физическими проверками. 113 (12): 121102. arXiv:1701.07305. Bibcode:2014ПхРвЛ.113л1102А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.113.121102. HDL:1721.1/90426. PMID  25279617. S2CID  2585508.
  38. ^ «Новые результаты альфа-магнитного спектрометра на Международной космической станции» (PDF). AMS-02 в НАСА. Получено 21 сентября 2014.
  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 физическими проверками. 110 (14): 141102. Bibcode:2013ПхРвЛ.110н1102А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.141102. PMID  25166975.
  41. ^ Агилар, М .; и другие. (Сотрудничество с 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:2002ФР ... 366..331А. Дои:10.1016 / S0370-1573 (02) 00013-3. HDL:2078.1/72661.
  42. ^ Бланд, Э. (1 декабря 2008 г.). "Лазерная техника производит массу антивещества". Новости NBC. Получено 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. ^ Фелпс, М. Э. (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 оригинал 5 августа 2010 г.

внешняя ссылка