正電子
正電子（又稱陽電子、反電子、正子）是電子的反粒子，即電子的對應反物質。它帶有+1單位電荷，+1.6×10-19C，自旋為1/2，質量與電子相同，皆為9.10×10-31kg。
 首張觀測到正電子存在的雲室照片，由C·D·安德森所攝。雲室的上下兩部分由一片6毫米厚的鉛片分開。可以肯定該正電子是從下方進入的，因為上方的軌跡比下方彎曲，即被磁場扭曲的程度較高，由此可知上方的能量較低。 | |
| 組成 | 基本粒子 |
|---|---|
| 系 | 費米子 |
| 代 | 第一代 |
| 基本相互作用 | 重力、電磁、弱 |
| 符號 | β+ , e+ |
| 反粒子 | 電子 |
| 理論 | 保羅·狄拉克（1928年） |
| 發現 | 卡爾·戴維·安德森（1932年） |
| 質量 | 9.10938291(40)×10−31 kg[1] 5.4857990946(22)×10−4 u[1] |
| 電荷 | +1 e 1.602176565(35)×10−19 C[1] |
| 自旋 | 1⁄2 |
正電子與電子碰撞時會產生湮滅現象，這一過程遵守電荷守恆、能量守恆、動量守恆和角動量守恆。在高能情況下，湮滅會生成其他基本粒子。在低能情況下，正負電子湮滅主要生成兩個或三個光子（有時也會生成更多光子）。另外，電子和正電子在湮滅之前有時會形成亞穩定的束縛態，即電子偶素。根據電子和正電子的不同自旋狀態，電子偶素分為單態（1S0，總自旋為0）和三重態（3S1，總自旋為1）。在真空中，單態電子偶素的半衰期為125ps。三重態電子偶素的半衰期為142ns。
當能量超過1.02百萬電子伏特的光子經過原子核附近時（成對產生），或者在放射性元素的正β衰變中（通過弱相互作用），都有可能產生正電子。
1930年英國物理學家保羅·狄拉克從理論上預言了正電子的存在，1932年美國物理學家卡爾·戴維·安德森在宇宙射線中發現了正電子。
歷史
編輯理論
編輯保羅·狄拉克於1928年發表了一份論文[2]，當中提出電子能夠擁有正電荷及負電荷。在這份論文中，狄拉克首次引進了狄拉克方程，這條方程統一了量子力學、狹義相對論及電子自旋，而自旋當時還是一個很新的概念，用於解釋塞曼效應。論文中狄拉克並沒有明確地預測新粒子的存在，但他允許電子可以用正能量或負能量作解。正能量解成功解釋了實驗結果，但負能量解卻令狄拉克相當困惑，因為在他的數學模型中負能量解跟正能量解一樣有效。在量子力學中是不能夠無視負能量解的，這點就跟經典力學很不一樣；雙重解意味着電子有可能會在正負能量態間自發跳躍。然而，實驗並沒有觀測到這樣的躍遷。狄拉克把這個理論與觀測間的衝突稱為「未解決的難題」。
狄拉克於1929年十二月撰寫了一份後續論文，嘗試解釋相對論性電子那無可避免的負能量解[3]。他的論點是「……具有負能量的電子在外加（電磁）場中移動就像它攜帶了正電荷」。他繼續論述說所有空間都可被視為充滿負能量態的「海」，因此這樣就阻止了電子在正能量態（負電荷）與負能量態（正電荷）間的躍遷。論文同時探討了質子是這種海中的島的可能性，及這種島其實是負電荷電子的可能性。狄拉克承認，質子與電子的巨大質量差是一個難題，但同時表示將來的理論「有希望」解決這個問題。
對於狄拉克使用質子作為電子的負能量解，羅伯特·奧本海默表示強烈反對。他斷言如果這是真的，那麼氫原子就會瞬間自爆[4]。狄拉克被奧本海默的論點說服，於是在1931年發表的一篇論文中預測存在一種未被發現的粒子「反電子」，其質量與電子一樣，並且與電子接觸時會互相湮滅[5]。
理查德·費曼及在他之前的厄恩斯特·斯蒂克爾堡，提出了一種對狄拉克方程負能量解的詮釋，就是正電子是逆時間而行的電子[6]。逆時間而行的電子，其電荷為正電荷。約翰·惠勒援引這個概念，來解釋所有電子都共有的性質，同時指出在有自相互作用的複世界線上，「它們都是一樣的電子」[7]。後來，南部陽一郎將這樣的一套理論，應用於所有物質－反物質對的創生與湮滅，還說明了「平常所見成對的最終創生與湮滅，並不是創生與湮滅，而是移動中的粒子改變方向而已，從過去到將來，又或是從將來到過去」[8]。現時物理學家已經接受了逆時間觀點，與其他繪景等價，[來源請求]但這個詮釋卻沒有宏觀的「因果」，因為微觀物理描述並沒有因果。
實驗上的跡象與發現
編輯德米特里·斯科別利岑（Dmitri Skobeltsyn）最早於1929年觀測到正電子[9][10]。在嘗試用威爾遜雲室[11]來偵測宇宙射線中伽馬輻射的時候，斯科別利岑探測到一種行動像電子的粒子，但它在磁場中的彎曲方向與電子相反[10]。
同樣地，加州理工學院的一名研究生趙忠堯在1929年也注意到類似的實驗結果，顯示有一種性質像電子的粒子，但其電荷為正，不過由於實驗結果並非決定性，所以趙忠堯並沒有繼續追查這個現象[12]。
卡爾·安德森於1932年8月2日發現正電子[13]，亦因此於1936年獲頒諾貝爾物理學獎[14]。「正電子」（positron）一詞是由安德森所創的。正電子是第一種被發現的反物質，因此當時成了反物質存在的證據。在發現時，安德森讓宇宙射線通過雲室及鉛片。儀器被磁鐵包圍，而這些磁鐵使不同電荷的粒子向不同的方向彎曲。每一粒通過照相底片的正電子，都會有一條離子軌跡，其曲率對應電子的質荷比，但軌跡方向與電子相反，意味着它的電荷也與電子相反。
後來安德森在憶述往事時寫道，假若之前趙忠堯的研究有後續的話，那麼正電子在那個時候就會被發現了[12]。在安德森公佈發現正電子的時候，巴黎的弗雷德里克·約里奧-居里與伊雷娜·約里奧-居里夫婦已經持有有正電子軌跡的老照片，不過他們當時認為那軌是屬於質子的，因此不予理會。
生產
編輯新的研究大大地增加了正電子的生產量。勞倫斯利福摩爾國家實驗室的物理學家團隊，用特高亮度的短距離雷射轟擊一片1毫米厚的金箔，成功生產出1000億個正電子[15][16]。
應用
編輯某些粒子加速器實驗需要使正電子與電子在相對論性速度下對撞。高撞擊能量與這些物質─反物質湮滅，能生成一整束各種各樣的次原子粒子。物理學家就是通過研究這些碰撞，來測試理論預測及尋找新的粒子。
放射性核素（示蹤物）所發射的正電子與生物體內電子湮滅所產生的伽馬射線，可用正電子發射計算機斷層掃描（PET）來探測。PET掃描器能做出詳細的三維圖像，顯示人體的新陳代謝[17]。
材料研究中通常採用正電子湮沒譜學（Positron Annihilation Spectroscopy, PAS）技術，用於探測固體材料中的空位、位錯等微觀缺陷。[18]
註釋
編輯- ^ 分數版本的分母為小數版本的倒數（相對標準誤差也是一樣4.2×10−10）。
參考資料
編輯- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 科技數據委員會(CODATA)的數值來源為：
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. doi:10.1103/RevModPhys.80.633.
亦可從以下鏈結取得CODATA各種物理常數的值： - The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty. National Institute of Standards and Technology. [2013-10-23]. （原始內容存檔於2013-10-14）.
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