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正电子

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正电子（又称阳电子、反电子、正子）是电子的反粒子，即电子的对应反物质。它带有+1单位电荷，+1.6×10-19C，自旋为1/2，质量与电子相同，皆为9.10×10-31kg。

正电子（反电子）
首张观测到正电子存在的云室照片，由C·D·安德森所摄。云室的上下两部分由一片6毫米厚的铅片分开。可以肯定该正电子是从下方进入的，因为上方的轨迹比下方弯曲，即被磁场扭曲的程度较高，由此可知上方的能量较低。
组成基本粒子
系费米子
代第一代
基本相互作用重力、电磁、弱
符号
β+
,
e+
反粒子电子
理论保罗·狄拉克（1928年）
发现卡尔·戴维·安德森（1932年）
质量9.10938291(40)×10−31 kg[1]

5.4857990946(22)×10−4 u[1]
[1822.8884845(14)]−1 u[注 1]

0.510998928(11) MeV/c2[1]
电荷+1 e
1.602176565(35)×10−19 C[1]
自旋1⁄2

正电子与电子碰撞时会产生湮灭现象，这一过程遵守电荷守恒、能量守恒、动量守恒和角动量守恒。在高能情况下，湮灭会生成其他基本粒子。在低能情况下，正负电子湮灭主要生成两个或三个光子（有时也会生成更多光子）。另外，电子和正电子在湮灭之前有时会形成亚稳定的束缚态，即电子偶素。根据电子和正电子的不同自旋状态，电子偶素分为单态（1S0，总自旋为0）和三重态（3S1，总自旋为1）。在真空中，单态电子偶素的半衰期为125ps。三重态电子偶素的半衰期为142ns。

当能量超过1.02百万电子伏特的光子经过原子核附近时（成对产生），或者在放射性元素的正β衰变中（通过弱相互作用），都有可能产生正电子。

1930年英国物理学家保罗·狄拉克从理论上预言了正电子的存在，1932年美国物理学家卡尔·戴维·安德森在宇宙射线中发现了正电子。

历史

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理论

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保罗·狄拉克于1928年发表了一份论文[2]，当中提出电子能够拥有正电荷及负电荷。在这份论文中，狄拉克首次引进了狄拉克方程，这条方程统一了量子力学、狭义相对论及电子自旋，而自旋当时还是一个很新的概念，用于解释塞曼效应。论文中狄拉克并没有明确地预测新粒子的存在，但他允许电子可以用正能量或负能量作解。正能量解成功解释了实验结果，但负能量解却令狄拉克相当困惑，因为在他的数学模型中负能量解跟正能量解一样有效。在量子力学中是不能够无视负能量解的，这点就跟经典力学很不一样；双重解意味着电子有可能会在正负能量态间自发跳跃。然而，实验并没有观测到这样的跃迁。狄拉克把这个理论与观测间的冲突称为“未解决的难题”。

狄拉克于1929年十二月撰写了一份后续论文，尝试解释相对论性电子那无可避免的负能量解[3]。他的论点是“……具有负能量的电子在外加（电磁）场中移动就像它携带了正电荷”。他继续论述说所有空间都可被视为充满负能量态的“海”，因此这样就阻止了电子在正能量态（负电荷）与负能量态（正电荷）间的跃迁。论文同时探讨了质子是这种海中的岛的可能性，及这种岛其实是负电荷电子的可能性。狄拉克承认，质子与电子的巨大质量差是一个难题，但同时表示将来的理论“有希望”解决这个问题。

对于狄拉克使用质子作为电子的负能量解，罗伯特·奥本海默表示强烈反对。他断言如果这是真的，那么氢原子就会瞬间自爆[4]。狄拉克被奥本海默的论点说服，于是在1931年发表的一篇论文中预测存在一种未被发现的粒子“反电子”，其质量与电子一样，并且与电子接触时会互相湮灭[5]。

理查德·费曼及在他之前的厄恩斯特·斯蒂克尔堡，提出了一种对狄拉克方程负能量解的诠释，就是正电子是逆时间而行的电子[6]。逆时间而行的电子，其电荷为正电荷。约翰·惠勒援引这个概念，来解释所有电子都共有的性质，同时指出在有自相互作用的复世界线上，“它们都是一样的电子”[7]。后来，南部阳一郎将这样的一套理论，应用于所有物质－反物质对的创生与湮灭，还说明了“平常所见成对的最终创生与湮灭，并不是创生与湮灭，而是移动中的粒子改变方向而已，从过去到将来，又或是从将来到过去”[8]。现时物理学家已经接受了逆时间观点，与其他绘景等价，[来源请求]但这个诠释却没有宏观的“因果”，因为微观物理描述并没有因果。

实验上的迹象与发现

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德米特里·斯科别利岑（Dmitri Skobeltsyn）最早于1929年观测到正电子[9][10]。在尝试用威尔逊云室[11]来侦测宇宙射线中伽马辐射的时候，斯科别利岑探测到一种行动像电子的粒子，但它在磁场中的弯曲方向与电子相反[10]。

同样地，加州理工学院的一名研究生赵忠尧在1929年也注意到类似的实验结果，显示有一种性质像电子的粒子，但其电荷为正，不过由于实验结果并非决定性，所以赵忠尧并没有继续追查这个现象[12]。

卡尔·安德森于1932年8月2日发现正电子[13]，亦因此于1936年获颁诺贝尔物理学奖[14]。“正电子”（positron）一词是由安德森所创的。正电子是第一种被发现的反物质，因此当时成了反物质存在的证据。在发现时，安德森让宇宙射线通过云室及铅片。仪器被磁铁包围，而这些磁铁使不同电荷的粒子向不同的方向弯曲。每一粒通过照相底片的正电子，都会有一条离子轨迹，其曲率对应电子的质荷比，但轨迹方向与电子相反，意味着它的电荷也与电子相反。

后来安德森在忆述往事时写道，假若之前赵忠尧的研究有后续的话，那么正电子在那个时候就会被发现了[12]。在安德森公布发现正电子的时候，巴黎的弗雷德里克·约里奥-居里与伊雷娜·约里奥-居里夫妇已经持有有正电子轨迹的老照片，不过他们当时认为那轨是属于质子的，因此不予理会。

生产

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新的研究大大地增加了正电子的生产量。劳伦斯利福摩尔国家实验室的物理学家团队，用特高亮度的短距离激光轰击一片1毫米厚的金箔，成功生产出1000亿个正电子[15][16]。

应用

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某些粒子加速器实验需要使正电子与电子在相对论性速度下对撞。高撞击能量与这些物质─反物质湮灭，能生成一整束各种各样的亚原子粒子。物理学家就是通过研究这些碰撞，来测试理论预测及寻找新的粒子。

放射性核素（示踪物）所发射的正电子与生物体内电子湮灭所产生的伽马射线，可用正电子发射计算机断层扫描（PET）来探测。PET扫描器能做出详细的三维图像，显示人体的新陈代谢[17]。

材料研究中通常采用正电子湮没谱学（Positron Annihilation Spectroscopy, PAS）技术，用于探测固体材料中的空位、位错等微观缺陷。[18]

注释

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  1. ^ 分数版本的分母为小数版本的倒数（相对标准误差也是一样4.2×10−10）。

参考资料

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 科技数据委员会(CODATA)的数值来源为：
    Mohr, P.J.; Taylor, B.N.; Newell, D.B. CODATA recommended values of the fundamental physical constants. Reviews of Modern Physics. 2006, 80 (2): 633–730. Bibcode:2008RvMP...80..633M. arXiv:0801.0028  . doi:10.1103/RevModPhys.80.633. 
    亦可从以下链接取得CODATA各种物理常量的值：
    The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty. National Institute of Standards and Technology. [2013-10-23]. （原始内容存档于2013-10-14）. 
  2. ^ P. A. M. Dirac. The quantum theory of the electron (PDF). [2013-07-05]. （原始内容存档 (PDF)于2014-09-12）. 
  3. ^ P. A. M. Dirac. A Theory of Electrons and Protons (PDF). 
  4. ^ Frank Close. Antimatter. Oxford University Press. 2009: 46. ISBN 978-0-19-955016-6. 
  5. ^ P. A. M. Dirac. Quantised Singularities in the Quantum Field. Proc. R. Soc. Lond. A. 1931, 133 (821): 2–3 [2013-07-05]. Bibcode:1931RSPSA.133...60D. doi:10.1098/rspa.1931.0130. （原始内容存档于2017-07-16）. 
  6. ^ Feynman, Richard. The Theory of Positrons. Physical Review. 1949, 76 (76): 749. Bibcode:1949PhRv...76..749F. doi:10.1103/PhysRev.76.749. 
  7. ^ Feynman, Richard. The Development of the Space-Time View of Quantum Electrodynamics (演讲). Nobel Lecture. 1965-12-11 [2007-01-02]. （原始内容存档于2015-05-12）. 
  8. ^ Nambu, Yoichiro. The Use of the Proper Time in Quantum Electrodynamics I. Progress in Theoretical Physics. 1950, 5 (5): 82. Bibcode:1950PThPh...5...82N. doi:10.1143/PTP.5.82. 
  9. ^ Frank Close. Antimatter. Oxford University Press. : 50–52. ISBN 978-0-19-955016-6. 
  10. ^ 10.0 10.1 general chemistry. Taylor & Francis. 1943: 660 [15 June 2011]. GGKEY:0PYLHBL5D4L. （原始内容存档于2016-12-03）. 
  11. ^ Cowan, Eugene. The Picture That Was Not Reversed. Engineering & Science. 1982, 46 (2): 6–28. 
  12. ^ 12.0 12.1 Jagdish Mehra, Helmut Rechenberg. The Historical Development of Quantum Theory, Volume 6: The Completion of. Quantum Mechanics 1926–1941.. Springer. 2000: 804. ISBN 978-0-387-95175-1. 
  13. ^ Anderson, Carl D. The Positive Electron. Physical Review. 1933, 43 (6): 491–494. Bibcode:1933PhRv...43..491A. doi:10.1103/PhysRev.43.491. 
  14. ^ The Nobel Prize in Physics 1936. [2010-01-21]. （原始内容存档于2008-09-16）. 
  15. ^ Bland, E. Laser technique produces bevy of antimatter. MSNBC. 1 December 2008 [2009-07-16]. （原始内容存档于2008-12-05）. The LLNL scientists created the positrons by shooting the lab's high-powered Titan laser onto a one-millimeter-thick piece of gold. 
  16. ^ Laser creates billions of antimatter particles. Cosmos Online. （原始内容存档于2009-05-22）. 
  17. ^ Phelps, Michael E. PET: physics, instrumentation, and scanners. Springer. 2006: 2–3. ISBN 0-387-32302-3. 
  18. ^ Siegel, R W. Positron Annihilation Spectroscopy. Annual Review of Materials Science. 1980, 10: 393. Bibcode:1980AnRMS..10..393S. doi:10.1146/annurev.ms.10.080180.002141. 

外部链接

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