Главная » Дизайн ванной комнаты » Источники позитронов, характеристики и методы получения. Сравнение характеристик электрона и позитрона

Источники позитронов, характеристики и методы получения. Сравнение характеристик электрона и позитрона

Позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже - трёх и более) гамма-квантов .

Позитроны возникают в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии фотонов с энергией 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 .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

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.

Аннигиляция

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 экспериментально доказано существование связанной системы из двух позитронов и двух электронов (молекулярный позитроний). Такая молекула распадается ещё быстрее, чем атомарный позитроний.

Позитроны в природе

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^{+}.} Такая реакция происходит в природе, поскольку существует поток антинейтрино с энергией выше порога обратного бета-распада, возникающих, например, при бета-распаде природных радиоактивных ядер.

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.

Изучает взаимодействие γ-квантов с электронной оболочкой атома. Для наблюдения треков электронов он впервые использовал камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Этот метод регистрации позволял по кривизне трека измерять энергию электронов. Источник γ-квантов располагался рядом с камерой Вильсона. Анализируя полученные фотографии, Д. Скобельцын впервые получил ряд новых результатов о механизме взаимодействия γ-квантов с атомом: измерил величины сечений взаимодействия γ-квантов с различными атомами, измерил ионизационные потери при движении заряженной частицы в среде. Однако гораздо больший интерес вызвали наблюдаемые в камере Вильсона не искривленные в магнитном поле траектории электронов высоких энергий. О том, что эти траектории принадлежат электронам, Д. Скобельцын заключил по величине ионизации вдоль трека пролетающей в камере Вильсона частицы. Скобельцын сделал вывод, что эти треки принадлежат электронам космического излучения, но они не искривляются, т.к. имеют большие энергии. Вскоре эта гипотеза получила подтверждение − треки не исчезали после того, как был убран источник γ-излучения. Энергия космических электронов по оценкам Скобельцына составляла ~1 ГэВ. Неожиданно оказалось, что не все частицы искривлялись в магнитном поле в одном направлении. Некоторые частицы отклонялись так, как будто бы имели положительный заряд. Вначале эти следы приняли за положительно заряженные протоны. Однако характер ионизации вдоль трека был такой же, как в случае электронов. Для того, чтобы понять природу этих частиц необходимо было измерить направление движения частиц, измерить их энергию.
Результаты Д. Скобельцына и разработанный им метод детектирования частиц космического излучения вызвали большой интерес физиков. В нескольких лабораториях стали создавать аналогичные установки. В Кавендишской лаборатории этим занялись П. Блэкетт и Дж. Оккиалини , а в США эксперименты с камерой Вильсона в магнитном поле начал молодой научный сотрудник
К. Андерсон , работавший под руководством Нобелевского лауреата Дж. Милликена . К 1932 г. К. Андерсон получил несколько сотен фотографий космических частиц в камере Вильсона в магнитном поле. Так же как и Д. Скобельцын К. Андерсон наблюдал треки как отрицательно, так и положительно заряженных частиц.
В 1932 г. в журнале “Science” появилась заметка К. Андерсона, в которой он сообщал об открытии в составе космических лучей новой частицы. Эта частица имела такую же массу, как и открытый ранее электрон, но имела в отличие от электрона не отрицательный, а положительный электрический заряд. Это наблюдение было сделано Андерсоном по наблюдениям траекторий частиц в камере Вильсона в сильном магнитном поле.
Оказалось, что частицы космических лучей, которые наблюдал К. Андерсон, искривляются в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, в противоположных направлениях, т.е. среди частиц зарегистрированных в камере Вильсона были как отрицательно, так и положительно заряженные частицы.

Рис. 3.1. Следы космических частиц, полученные Андерсоном в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле 20000–25000 эрстед.

После экспериментов Блэкетта и Оккиалини уже не было никаких сомнений, что позитрон − это новая частица. Кроме того им впервые удалось надежно зарегистрировать рождение электрон-позитронной пары при взаимодействии γ-квантов с веществом. Блэкетт и Оккиалини впервые указали на то, что позитрон является той самой частицей, которую предсказал незадолго до этого П. Дирак.
Вскоре выяснилось, что позитроны могут рождаться не только в космических лучах, но и под действием γ-квантов с энергией больше 1 МэВ. Если в камеру Вильсона поместить свинцовую пластинку и облучать её γ-квантами от радиоактивного источника с энергией γ-квантов >1 МэВ, то можно наблюдать две частицы, рождающиеся в одной точке, которые магнитным полем отклоняются в противоположные стороны, это электрон и позитрон. Рождение позитронов всегда происходит в паре с электроном.

γ → e + + e - .

На рис. 3.3 показано рождение электрон-позитронной пары в камере Вильсона, заполненной криптоном.

Рис. 3.3. Рождение пары электрон-позитрон в камере Вильсона.

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.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: « Согласно сообщению Андерсона, им найдено несколько следов, которые должны быть приписаны положительно заряженным частицам с ничтожной массой. Андерсон приводит подробное описание этих фотографий, хотя самые фотографии не воспроизведены. На одной из них о направлении движения можно однозначно заключить по изменению кривизны пути после прохождения насквозь свинцовой пластинки. На другой фотографии два следа, выходящие из пластинки, искривляются в противоположных направлениях. На третьей две частицы покидают пластинку, отклоняясь в ту сторону, куда отклонились бы положительные заряды. Длина пробега и характеристическая ионизация − всё это вместе с предыдущим дает Андерсону основание утверждать, что перед нами − положительно заряженные частицы с массой, значительно меньшей, чем масса протона».

П. Блэкетт, Г. Оккиалини. «Разрушение атомов космическими лучами и положительный электрон».

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. Позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать, так же как электрон, бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ‑ кванта (фотона):

е - + е + → 2γ.

Происходит превращение частиц с массой отличной от нуля (масса электрона mc 2 = 0.511 МэВ) в частицы с нулевой массой (фотоны).
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары частиц – электрона и позитрона. Электрон-позитронные пары рождались γ-квантами с энергией несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра.
При взаимодействии частиц высокой энергии с веществом процессы рождения и аннигиляции частиц и античастиц приводят к рождению большого количества вторичных частиц порожденных высокоэнергетической первичной частицей – каскадных ливней (рис. 3.4, 3.5, 3.6).

Описан метод, с помощью которого удается заставить частицы, обладающие огромной энергией, фотографировать следы своих собственных путей в камере Вильсона.
Нарисована картина наиболее поразительных, характерных явлений, заснятых этим методом на некоторых из 500 удачных фотографий; подвергся обсуждению вопрос о природе «ливней», состоящих из частиц, дающих на снимках сочетание сразу нескольких и даже многих путей.
Рассмотрение пробега, ионизации, кривизны и направления движения частиц приводит к подтверждению взгляда, высказанного впервые Андерсоном, о том, что должны существовать частицы с положительным зарядом, но с массой, скорее сравнимой с массой электрона, чем прогона…
Разобран вопрос о происхождении положительных и отрицательных электронов в ливне… Последующее поведение положительных электронов рассмотрено в свете дираковской теории «дырок».

Нобелевская премия по физике

1948 г. − П. Блэкетт. За усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации.

Рис. 3.4. Позитрон, созданный гамма-лучами в свинцовой пластине и прошедший сквозь алюминиевую пластину толщиной 0,55 мм. Энергия позитрона над алюминиевой пластиной 820 кэВ, под алюминиевой пластиной 520 кэВ.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Сделать первый шаг в раскрытии этих сложных явлений − значит, прежде всего, путем отождествления установить природу частиц, порождающих следы. Не совсем легко с этим справиться, так как данные, почерпнутые из фотографий и служащие для выводов, зачастую противоречивы. Однако, по-видимому, неизбежно следует придти к тому замечательному, рассеивающему затруднения заключению, которое уже сделал Андерсон при расшифровке аналогичных фотографий. Оно состоит в том, что некоторые из следов нужно приписать частицам, несущим положительный заряд, но имеющим массу, ничтожную сравнительно с массой протона».

Рис. 3.5. Развитие ливня в свинцовых пластинах.

Рис. 3.6. Развитие ливня в свинцовых пластинах.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Чтобы определить знак заряда частицы, надо знать, в каком направлении она двигалась вдоль следа. Есть четыре способа узнать об этом из фотографий:

Частица пронизывает достаточно толстую металлическую пластинку, так что по выходе из нее частица успела потерять заметную долю своей энергии. Очевидно, что в этом случае движение совершается со стороны большего значения Hρ в сторону меньшего. В противном случае пришлось бы допустить существование выигрыша энергии внутри пластинки, а эта возможность настолько маловероятна, что мы вправе ее отбросить. Если, при фотографировании попадется частица совсем медленная, тогда представляется случай обнаружить изменение Hρ, вызываемое благодаря непрестанной потере энергии во время прохождения частицы через газ.

С другой стороны, если частица служит причиной появления какой-либо вторичной частицы с достаточной энергией, скажем, при столкновении со свободным электроном, − тогда угол между вторичным следом и первичным, укажет направление движения частиц.
Если группа следов расходится из некоторой общей точки или некоторой малой области пространства, тогда существует очень большая вероятность − хотя и не сама достоверность, − что всякая частица такой группы движется, удаляясь от этой области.
Если след наблюдается в почти вертикальном направлении, то более вероятно, что частица двигалась вниз, а не вверх. В основу последнего предположения взят бесспорный факт, что ионизация под действием космического излучения увеличивается от глубин к высотам. Однако трудно оценить численно эту вероятность, поскольку не известна повторяемость таких явлений, как зафиксированное на рис. 13, где есть, по крайней мере, одна частица, отразившаяся кверху».

В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены − одни физические объекты являются частицами, а другие − волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Очевидно, что существуют несколько различных процессов, дающих начало сложным путям ливней. В небольшом количестве случаев этот процесс совсем прост. Налетающая частица − обычно отрицательный или положительный электрон − выбивает из отдельного ядра, по всей вероятности, три или более частицы. Рис. 17 с большой наглядностью подтверждает, что налетающая частица выбрасывает из ядра меди 2 электрона (оба с E e ≈ 13·10 6 V) наряду с одним протоном. Извержение могло сопровождаться также и другими частицами, но они, по-видимому, имели слишком недостаточную длину пробега, чтобы преодолеть толщу пластинки и выйти из нее. Рис. 13 дает картину двух электронов (E e ≈ 10·10 6 и 13·10 6 V), вышибленных из ядра свинца книзу, и двух других, с большей энергией ( E e > 100·10 6 V), выбитых кверху. Возможно, что один из последних двух представляет собою налетающую частицу, взрывающую ядро, и тогда другой электрон − один из осколков, летящий при взрыве кверху. Возможно и то, что обе верхние частицы суть продукты разрушения ядра; тогда в этом случае саморазрушение придется приписать какому-то неионизующему агенту.
Однако оба эти случая − сравнительно простые при сопоставлении со сложной картиной обильных ливней. В этом наиболее типичном процессе наблюдается одновременное извержение некоторого числа частиц, вылетающих с огромной энергией. Эти частицы выбрасываются обыкновенно в направлениях, заключенных внутри довольно узкого конуса, но бывают случаи (рис. 12), когда этот конус, довольно широкий. Вполне естественно искать объяснение узкого конуса разлета частиц в том импульсе, который сообщается им в момент удара налетающей частицей, обладающей чрезвычайно большой энергией. Пока еще невозможно установить природу всех частиц, выброшенных из ядра, но, по-видимому, среди них преобладают отрицательные и положительные электроны; есть некоторые, правда, еще недостаточные указания, что в ряде случаев те и другие электроны выбиваются приблизительно в одинаковом количестве.
Возникновение этих частиц возбуждает огромный интерес; в частности, они, несомненно, часто зарождаются внутри материала с легким и средним атомным весом, поскольку излучающие центры обнаружены и в воздухе, и в стекле, и в алюминии, и в меди. Согласно самым последним представлениям о структуре ядра, в таких легких ядрах не должно быть свободных отрицательных электронов. А уже найдено, по крайней мере, положительных и отрицательных электронов, исходящих из отдельного точечного центра излучения в стекле, меди или свинце (рис. 12, 11 и 10) и, следовательно, по всей вероятности, из отдельного ядра.
Существует три возможных гипотезы, которые мы вправе сделать относительно появления этих частиц: они могли существовать в разрушенном ядре с самого начала, еще до акта соударения; они могли существовать в налетающей частице; наконец, они могли возникнуть в течение процесса соударения. За отсутствием каких-либо независимых доказательств самостоятельного существования частиц прежде сотрясения ядра разумно принять последнюю из этих трех гипотез. Затем, учитывая хорошо известные трудности, вырастающие при обращении с электронами внутри ядер как с независимыми механическими объектами, последняя гипотеза, быть может, и в этом смысле имеет большее преимущество. Тогда согласно этой гипотезе все ливни (вместе с обычным β-распадом) следует представлять себе как процесс возникновения частицы в прямом смысле этого слова.
Этот вопрос чрезвычайно близко связан с проблемой строения нейтрона. Согласно взгляду на нейтрон как на сложную частицу, отрицательные электроны в ливнях могут получиться при расщеплении каждого из нейтронов на отрицательный электрон и протон, но эта схема не дает объяснения возникновению положительных электронов. Кроме того, она приводит к тому, что нужно ожидать большего количества следов протонов на фотографиях, чем наблюдается в действительности».

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Существование положительных электронов в этих ливнях немедленно вызывает естественный вопрос: почему же до сих пор они ускользали от наблюдения? Ясно, что они могут обладать только ограниченной продолжительностью жизни как свободные частицы, поскольку они не встречаются ни в одном веществе при нормальных условиях.
Вполне допустимо, что они могут входить в соединение с другими элементарными частицами и образовывать устойчивые ядра, переставая при этом быть свободными. Но кажется более приемлемым, что они исчезают при взаимодействии с отрицательным электроном, выбрасывая при этом 2 кванта или более.
Этот последний механизм дан непосредственно в дираковской теории электронов, Согласно этой теории, квантовые состояния в области отрицательной кинетической энергии, представлявшие прежде непреодолимое препятствие для физической интерпретации, почти все, за немногими исключениями, заполнены отрицательными электронами. Немногие незанятые состояния ведут себя подобно обыкновенным частицам с положительной кинетической энергией и положительным зарядом. Сам Дирак думал отождествить эти «дырки» с протонами, но от этого пришлось отказаться, когда было установлено, что у этих «дырок» должна быть такая же масса, как и у отрицательных электронов. Предстоит непосредственная и важная задача экспериментального определения массы положительного электрона точными измерениями его ионизации и Hρ. Сейчас же можно только сказать, что отсутствие разницы между ионизацией следов у отрицательных и положительных электронов при одинаковом Hρ стало достоверностью, а это косвенно служит временным доказательством равенства их масс.
По теории Дирака, положительные электроны имеют только очень короткую среднюю продолжительность жизни, пока какой-либо отрицательный электрон сверху не соскочит с легкостью вниз, в незанятое состояние. Таким образом «дырка» заполнится, и произойдет исчезновение сразу обоих − и положительного и отрицательного − электронов одновременно; при этом излучится 2 кванта энергии.
Мы чувствуем себя обязанными перед проф. Дираком не только за весьма ценное и неоднократное обсуждение этих вопросов, но также и за позволение привести результаты его вычислений по определению действительной вероятности этого процесса «аннигиляции» (исчезновения) электронов. Размеры поперечного сечения электронов при аннигиляции (в единицах площади) суть:

и γ = (1 − v2/c2) -1/2 , а v − скорость положительного электрона».

В стабильных атомных ядрах существует определенное равновесное соотношение между числом протонов Z и числом нейтронов в ядре N

где A + Z + N. Если число протонов превышает это равновесное значение, то протон p в ядре может в результате β + -распада превратиться в нейтрон n, позитрон e + и электронное нейтрино ν e

p → n + e + + ν e .

Позитроны образуются при β + -распаде атомных ядер. Впервые позитроны образующиеся при β + -распаде наблюдали Ф. Жолио и И. Кюри .
Такой распад происходит только внутри атомного ядра. Свободный протон является стабильной частицей, т.к. его масса m(p) меньше суммы масс нейтрона m(n), позитрона m(e +) и нейтрино m(ν e). Аналогичная ситуация имеет место и в случае ядер, перегруженных нейтронами относительно равновесного значения. Нейтрон n внутри ядра распадается, превращаясь в протон p, электрон e - и электронное антинейтрино e

n → p + e - + e .

Однако в отличие от протона распад свободного нейтрона возможен, т.к. масса покоя нейтрона m(n) больше суммы масс протона m(p), электрона m(e -) и электронного антинейтрино m( e). Распады протонов и нейтронов в атомном ядре привели к появлению чрезвычайно глубокой концепции физики частиц – в результате распада появляются новые частицы, которых не было в начальном состоянии . Протон, электрон и электронное антинейтрино не существуют внутри нейтрона, они образуются при β-распаде нейтрона. Эта концепция впервые была развита Э. Ферми в созданной им теории β-распада.
Процессы β‑распада, аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица. Элементарная частица перестала быть неизменным «кирпичиком» в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы.

Источники позитронов

Позитроны образуются при распаде β + -радиоактивных ядер, большинство из которых получаются искусственным путем или остались на Земле как продукты нуклеосинтеза в звездах.

22 Na − источник позитронов

В качестве источника позитронов широко используется изотоп 22 Na. Период полураспада изотопа 22 Na равен 2.6 года. В 90% случаев распад происходит в результате β + -распада

22 Na → 22 Ne + e + + ν e ,

с образованием стабильного изотопа 22 Ne (рис. 3.7).
В 10% случаев распад 22 Na происходит в результате е-захвата

22 Na + e - → 22 Ne + ν e .

Рис. 3.7. Радиоактивный источник позитронов 22 Na.

Практически 100% распадов происходит на первое возбужденное состояние 22 Ne с энергией E* = 1.27 МэВ, J P = 2 + . Распад в основное состояние 22 Ne J P = 0 + составляет 0.05%. Поэтому β + -распад 22 Na практически всегда сопровождается появлением γ-кванта с энергией 1.27 МэВ.

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 .

Открытие

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.

Аннигиляция

В 2007 году экспериментально доказано существование связанной системы из двух позитронов и двух электронов (молекулярный позитроний). Такая молекула распадается ещё быстрее, чем атомарный позитроний.

Позитроны в природе

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.

Открытие позитрона

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.

Аннигиляция

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.

Область применения

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.

Напечатать