Мир древних людей был прост, понятен и состоял из четырех элементов: вода, земля, огонь и воздух (в нашем современном понимании этим веществам соответствуют: жидкое, твердое, газообразное состояние и плазма). Греческие философы пошли намного дальше и выяснили, что вся материя делится на мельчайшие частицы - атомы (от греч. «неделимый»). Благодаря последующим поколениям удалось узнать, что окружающее пространство намного сложнее, чем нам представлялось вначале. В этой статье мы поговорим о том, что такое позитрон и о его удивительных свойствах.
Ученые выяснили, что атом (эта якобы цельная и неделимая частица) состоит из электронов (отрицательно заряженных элементов), протонов и нейтронов. С тех пор как физики-ядерщики научились разгонять частицы в специальных камерах, они уже нашли более 200 различных их разновидностей, существующих в пространстве.
Так что такое позитрон? В 1931-м его появление было теоретически предсказано французским физиком Полем Дираком. В ходе решаемой релятивистской задачи он пришел к выводу, что помимо электрона в природе должна существовать точно такая же частица с идентичной массой, но только с положительным зарядом. Позднее ее назвали «позитроном».
Он имеет заряд (+1), в отличие от (-1) у электрона и аналогичную ему массу около 9,103826 × 10 -31 кг.
Независимо от источника, позитрон всегда будет стремиться к «объединению» с любым ближайшим электроном.
Единственными отличиями между ними являются заряд и наличие во Вселенной, которое намного ниже, чем у электрона. Будучи антивеществом, частица входящая в контакт с обычным веществом, взрывается чистой энергией.
Выяснив, что такое позитрон, ученые пошли дальше в своих опытах, позволив космическим лучам проходить через камеру Вильсона, экранированную свинцом и установленную в магнитном поле. Там можно было наблюдать пары электрон-позитронов, которые иногда создавались, а после появления продолжали перемещаться в противоположных направлениях в пределах магнитного поля.
Теперь понятно, что такое позитрон. Подобно своему отрицательному двойнику, античастица реагирует на электромагнитные поля и может храниться в замкнутом пространстве с использованием методов конфайнмента. Кроме того, она умеет соединяться с антипротонами и антинейтронами, чтобы создать антиатомы и антимолекулы.
Позитроны существуют с низкой плотностью во всей космической среде, поэтому некоторыми энтузиастами были даже предложены методы сбора антиматерии для использования ее энергии.
Если позитрон и электрон встретятся друг другу на пути, то произойдет такое явление, как аннигиляция. То есть обе частицы уничтожат друг друга. Однако при столкновении в пространство выбрасывается некоторое количество энергии, которая имелась у них и называемая гамма-излучением. Признаком аннигиляции является появление двух гамма-квантов (фотонов), двигающихся в разных направлениях для того, чтобы сохранить импульс.
Существует и обратный процесс — когда фотон при определенных условиях снова может превратиться в электрон-позитронную пару.
Для того чтобы произошло рождение этой пары, необходимо прохождение одного гамма-кванта сквозь какое-то вещество, например, через свинцовую пластину. При этом металл поглощает импульс, но выпускает в разные стороны две противоположно заряженные частицы.
Мы выяснили, что происходит при взаимодействии электрона с позитроном. Частица в настоящее время наиболее активно используется в позитронно-эмиссионной томографии, где небольшое количество радиоизотопа с коротким периодом полураспада вводится пациенту, а после небольшого периода ожидания радиоизотоп концентрируется в интересующих тканях и начинает разрушаться, выпуская позитроны. Эти частицы перемещаются на несколько миллиметров, прежде чем сталкиваются с электроном и высвобождают гамма-лучи, которые могут быть захвачены сканером. Такой метод применяется для различных диагностических целей, в том числе для изучения мозга и выявления раковых клеток по всему телу.
Итак, в этой статье мы узнали о том, что такое позитрон, когда и кем он был открыт, его взаимодействие с электронами, а также область, в которой знание о нем имеет практическую пользу.
| Позитрон ( e + {\displaystyle e^{+}} ) | |
|---|---|
 Трек позитрона в камере Вильсона, полученный в эксперименте Андерсона в 1932 году. Частица движется снизу вверх (это видно из того, что она теряет энергию, проходя через свинцовую пластинку, и трек в магнитном поле становится более закрученным), её заряд положителен (из направления поворота трека) |
|
| Состав | фундаментальная частица |
| Семья | Фермион |
| Группа | Лептон |
| Поколение | первое |
| Участвует во взаимодействиях | гравитационное , слабое и электромагнитное |
| Античастица | Электрон |
| Теоретически обоснована | П. Дирак (1928) |
| Обнаружена | К. Д. Андерсон (1932) |
| Масса | 5,48579909070(16)⋅10 −4 а.е.м. |
| Время жизни | ∞ |
| Квантовые числа | |
| Электрический заряд |
+1
+1,6021766208(98)⋅10 −19 Кл |
| Барионное число | 0 |
| Лептонное число | −1 |
| B−L | +1 |
| Спин | 1/2 ħ |
| Магнитный момент | +9,274009994(57)⋅10 −24 Дж /Тл |
| Внутренняя чётность | −1 |
| Изотопический спин | 0 |
| Третья компонента слабого изоспина |
+1/2 (правая хиральность), 0 (левая хиральность) |
| Слабый гиперзаряд |
+1 (правая хиральность), +2 (левая хиральность) |
Позитроны возникают в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии фотонов , энергия которых больше 1,022 МэВ, с веществом . Последний процесс называется «рождением пар », ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем ядра , образует одновременно электрон и позитрон. Также позитроны способны возникать в процессах рождения электрон-позитронных пар в сильном электрическом поле .
Существование позитрона впервые было предположено в 1928 году Полем Дираком . Теория Дирака описывала не только электрон с отрицательным электрическим зарядом , но и аналогичную частицу с положительным зарядом. Отсутствие такой частицы в природе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Зато открытие позитрона явилось триумфом теории.
В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия, равная энергии покоя этих частиц, 2×0,511 МэВ . Поскольку были известны естественные радиоактивные вещества , испускавшие γ-кванты с энергией больше 1 МэВ , представлялось возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают.
Название «позитрон» придумал сам Андерсон. Андерсон также предлагал переименовать электроны в «негатроны»; этот термин в отношении электронов по-прежнему используют в случаях, когда электроны и позитроны рассматриваются совместно ; в этих случаях термин «электрон» часто относят к обеим частицам - электрону (негатрону) и позитрону .
Позитрон оказался первой открытой античастицей . Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам теории Дирака, которая могла быть обобщена на другие частицы, указывали на возможность парной природы всех элементарных частиц и ориентировало последующие физические исследования. Такая ориентация оказалась необычайно плодотворной, и в настоящее время парная природа элементарных частиц является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.
Из теории Дирака следует, что электрон и позитрон при столкновении должны аннигилировать с освобождением энергии, равной полной энергии сталкивающихся частиц. Оказалось, что этот процесс происходит главным образом после торможения позитрона в веществе, когда полная энергия двух частиц равна их энергии покоя 1,0221 МэВ. На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов с энергией по 0,511 МэВ, разлетавшихся в прямо противоположных направлениях от мишени, облучавшейся позитронами. Необходимость возникновения при аннигиляции электрона и позитрона не одного, а как минимум двух γ-квантов вытекает из закона сохранения импульса . Суммарный импульс в системе центра масс позитрона и электрона до процесса превращения равен нулю, но если бы при аннигиляции возникал только один γ-квант, он бы уносил импульс, который не равен нулю в любой системе отсчёта .
В 2007 году экспериментально доказано существование связанной системы из двух позитронов и двух электронов (молекулярный позитроний). Такая молекула распадается ещё быстрее, чем атомарный позитроний.
Считается, что в первые мгновения после Большого взрыва количество позитронов и электронов во Вселенной было примерно одинаково, однако при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, тепловые фотоны постоянно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём рождения электрон-позитронных пар (такие условия существуют и сейчас в недрах горячих звёзд). После охлаждения вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с избытком электронов.
В космосе позитроны рождаются при взаимодействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц космических лучей , а также при распаде некоторых типов этих частиц (например, положительных мюонов). Таким образом, часть первичных космических лучей составляют позитроны, так как в отсутствие электронов они стабильны. В некоторых областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии 511 кэВ, доказывающие присутствие позитронов.
В солнечном термоядерном pp-цикле (а также в CNO-цикле) часть реакций сопровождается эмиссией позитрона, который немедленно аннигилирует с одним из электронов окружения; таким образом, часть солнечной энергии выделяется в виде позитронов, и в ядре Солнца всегда присутствует некоторое их количество (в равновесии между процессами образования и аннигиляции).
Некоторые природные радиоактивные ядра (первичные, радиогенные, космогенные) испытывают бета-распад с излучением позитронов . Например, часть распадов природного изотопа 40 K происходит именно по этому каналу. Кроме того, гамма-кванты с энергией более 1,022 МэВ, возникающие при радиоактивных распадах, могут рождать электрон-позитронные пары.
При взаимодействии электронного антинейтрино (с энергией больше 1,8 МэВ) и протона происходит реакция обратного бета-распада с образованием позитрона: p + + ν ¯ e → n 0 + e + . {\displaystyle p^{+}+{\bar {\nu }}_{e}\rightarrow n^{0}+e^{+}.}
1932. Открытие позитрона.
Carl David Anderson
Позитрон, зарегистрированный в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. После прохождения свинцовой пластинки энергия позитрона уменьшается, соответственно уменьшается кривизна его траектории в магнитном поле.
Нобелевская премия по физике
1936 г . – К. Андерсон За открытие позитрона
Открытиепозитрона
Характеристика | Численное значение |
Спин J ,= | |
Масса m e c 2 , МэВ | 0.51099892±0.00000004 |
Электрический заряд, Кулон | (1.60217653±0.00000014)·10−19 |
Магнитный момент, e = /2m e c | 1.001159652187±0.000000000004 |
> 4.6·1026 |
|
Время жизни, лет | |
Лептонное число L e | |
Лептонные числа L μ ,L τ |
Открытие позитрона - частицы по своим характеристикам идентичной электрону за исключением знака электрического заряда (у позитрона он положительный) - было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд.
Позитрон был первой обнаруженной частицей из целого класса частиц, которые получили название античастицы . До открытия позитрона казалась загадочной различная роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существует легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц. В квантовой теории поля электрон и позитрон полностью равноправные частицы.
Почему e - иe + являются
стабильными частицами?
Нейтрино ν
1931. В.Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино для объяснения спектра электронов β -распада
n → p+ e− + υ e
1956. Ф. Райнес,
К. Коэн зарегистрировали антинейтрино.
Электронное антинейтрино
1953 – 1956 Ф. Райнес, К. Коэн
ν +p →e + +n
Источник антинейтрино – ядерный реактор e + + e − → 2 γ ~10 микросекунд
n + Cd(A) → Cd(A+ 1) * → Cd(A+ 1) + (3 − 5) γ
σ (ν p )= 10− 43 см 2
Открытиеантинейтрино (1)
Доказать существование электронного антинейтрино удалось в 1956 г. Райнесу и Коэну. Для этого они использовали реакцию
образуется большое число антинейтрино, которые и предполагалось зарегистрировать с помощью реакции (*). Протонная мишень представляла собой два бака по 200 л каждый, заполненные раствором хлористого кадмия в воде (CdCl2 +H2 O). Возникающие в результате реакции позитроны регистрировались по аннигиляционным γ -квантам,
образующимся при взаимодействии позитронов с электронами вещества мишени.
e ++ e −→ 2 γ .
Образующиеся в результате аннигиляции γ -кванты
вызывали световые вспышки в жидких сцинтилляторах (3 емкости по 1200 л каждая), расположенных по обе стороны от двух протонных мишеней. Световые вспышки регистрировали 100 фотоумножителей. Образующиеся в реакции нейтроны замедлялись в мишени до тепловых энергий и поглощались ядрами кадмия. Кадмий имеет большое сечение реакции (n , γ ) захвата тепловых нейтронов. Среднее
время замедления нейтронов в водородосодержащей среде ~10 мкс. В результате захвата нейтронов изотопы кадмия образовывались в возбуждённом состоянии. Переход их в основное состояние сопровождался испусканием 3-5 γ -
квантов. Для идентификации антинейтрино регистрировались аннигиляционные γ -кванты и образующиеся приблизительно через 10 мкс γ -кванты из реакции радиационного захвата на
Первые указания на существование позитронов, т. е. легких частиц, отличающихся от электронов только знаком заряда, были получены с помощью камеры Вильсона в 1932г. В камере, помещенной в магнитное поле, был замечен тонкий след, оставленный, несомненно, однозарядной очень легкой частицей, подобной электрону, но изогнутый в сторону, соответствующую положительному заряду (см. упражнение 45 в конце главы и рис. 413). В дальнейшем было установлено, что двумя главными процессами образования позитронов являются искусственная радиоактивность и взаимодействие -квантов большой энергии с атомными ядрами. Первый из этих процессов мы рассмотрели в предыдущем параграфе.
Для изучения второго процесса может быть использована камера Вильсона, установленная в магнитном поле и облучаемая узким пучком -излучения. На некоторых снимках на пути пучка -излучения наблюдаются своеобразные парные следы. Один такой след изображен на рис. 399.
При движении в газе заряженная частица теряет энергию на ионизацию атомов газа и ее скорость непрерывно уменьшается. Но чем меньше скорость частицы, тем сильнее магнитное поле искривляет ее траекторию (см. § 198).
Рис. 399. Пара электрон-позитрон, образованная - квантом в камере Вильсона. Левый след принадлежит электрону, правый - позитрону
Внимательное рассмотрение следа показывает, что у каждой из его ветвей искривление возрастает при удалении от точки излома следа. Это доказывает, что мы имеем дело не с изломанным следом одной частицы, а со следами пары частиц, исходящих из одной точки. По степени ионизации оба следа пары подобны следам электронов. Они заворачиваются магнитным полем в противоположные стороны, т. е. принадлежат противоположно заряженным частицам. Из приведенной совокупности данных следует, что одна из этих частиц является электроном, а вторая - позитроном.
Итак, проходя через вещество (газ в камере Вильсона), -кванты образуют позитроны, и притом не в одиночку, а в паре с электронами. Это явление получило название образования пар электрон - позитрон. Теория указывает, что образование пары происходит в результате взаимодействия -кванта с электрическим полем одного из атомных ядер вещества; -квант при этом превращается в пару электрон - позитрон, а ядро остается без изменений.
Используя радиоактивные вещества в качестве интенсивных источников позитронов, удалось детально изучить свойства последних. В частности, было доказано, что масса позитрона в точности равна массе электрона, т. е. составляет примерно 1 2000 массы протона.
Рис. 400. Объединение позитрона с электроном, порождающее -кванты: а) электрон и позитрон притягиваются друг к другу; б) в результате соударения электрон и позитрон превратились в два -кванта
Был обнаружен также и процесс, обратный образованию пар; оказалось, что электрон и позитрон, сблизившись под действием сил электрического притяжения, могут превратиться в два -кванта, которые разлетаются в противоположные стороны (рис. 400). Процесс объединения электрона с позитроном, сопровождающийся превращением их в -кванты. получил название аннигиляции. Аннигиляция является причиной отсутствия на Земле позитронов. Каждый позитрон через ничтожное время после своего образования соединяется с одним из электронов среды, превращаясь в два -кванта.
Явления образования пар электрон - позитрон из -квантов и объединения электронов с позитронами, ведущего к образованию двух -квантов, представляют собой процессы совершенно нового типа, в которых происходит взаимное превращение электромагнитного поля излучения (-кванты) и частиц вещества (электроны и позитроны).
Свойства частиц и свойства электромагнитных полей (света) во многих отношениях сильно отличаются. Наиболее разительно это отличие свойств сказывается в том, что все окружающие нас тела построены из частиц; свет же, казалось бы, выполняет только функции передачи энергии от одних тел другим. Ввиду этого еще в начале нашего века представлялось, что между светом (электромагнитным полем) и веществом лежит непроходимая пропасть. В дальнейшем были открыты квантовые свойства света - оказалось, что свет совмещает со свойствами волны также и свойства потока частиц, фотонов. С другой стороны, у частиц вещества были обнаружены волновые свойства (см. §§ 209, 210), которые раньше считались отличительным признаком света. Уже эти открытия уменьшили разрыв в наших представлениях о свете и веществе. Теперь же, после обнаружения взаимных превращений света (-кванты) и частиц вещества (пары электрон - позитрон), стало ясно, что между светом и веществом имеется глубокое единство; частицы вещества и фотоны (электромагнитные поля) - это две различные формы материи. Как мы отмечали раньше (см. § 200), фотоны, обнаруживая много черт сходства с другими частицами, характеризуются и важной отличительной чертой: их масса покоя равна нулю. Фотон всегда движется со скоростью света. При остановке, например при поглощении, свет как таковой перестает существовать.
−1 и , равную массе электрона. При позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже - трёх и более) .
Позитроны возникают в одном из видов (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии с энергией больше 1,022 МэВ с . Последний процесс называется «рождением пар», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем , образует одновременно и позитрон.
Существование позитрона впервые было предположено в . Теория Дирака описывала не только электрон с отрицательным электрическим зарядом, но и аналогичную частицу с положительным зарядом. Отсутствие такой частицы в природе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Зато открытие позитрона явилось триумфом теории.
В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия, равная энергии покоя этих частиц, 2×0,511 МэВ. Поскольку были известны естественные , испускавшие γ-кванты с энергией больше 1 МэВ, представлялось возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают.
Из теории Дирака следует, что электрон и позитрон при столкновении должны с освобождением энергии, равной полной энергии сталкивающихся частиц. Оказалось, что этот процесс происходит главным образом после торможения позитрона в веществе, когда полная энергия двух частиц равна их энергии покоя 1,022 МэВ. На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов с энергией по 0,511 МэВ, разлетавшихся в прямо противоположных направлениях от мишени, облучавшейся позитронами. Необходимость возникновения при аннигиляции электрона и позитрона не одного, а двух γ-квантов вытекает из . Суммарный импульс остановившегося позитрона и электрона до процесса превращения равен нулю, но он не может быть нулём при образовании вследствие аннигиляции только одного γ-кванта.
Позитрон оказался первой открытой . Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам теории Дирака, которая могла быть обобщена на другие частицы, указывало на возможность парной природы всех элементарных частиц и ориентировало последующие физические исследования. Такая ориентация оказалась необычайно плодотворной, и в настоящее время парная природа элементарных частиц является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.
