Сравнение характеристик электрона и позитрона

−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.

Открытие

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.

Аннигиляция

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.

Последствия открытия позитрона

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.

Литература

• Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М. Атомиздат, 1971.

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

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 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

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^{+}.}

Релятивистская квантово - механическая теория, разработанная Дираком (1928 г.), позволила объяснить все основные свойства электрона и получить правильные значения его спина и магнитного момента. Самое главное, из этой теории следовала вероятность существования двух разных областей энергии - положительной и отрицательной, разделенные между собой промежутком 2m e с 2:

где p и m e - соответственно импульс и масса покоя электрона; с - скорость света. Данное обстоятельство возможно только в том случае, если положительной энергией обладает электрон, то отрицательная может соответствовать частице противоположного знака, которая была названа позитроном. Открытие Андерсеном в 1932 г. в составе космических лучей позитрона полностью подтвердило взгляды Дирака. Вслед за этим электроны и позитроны получили названия частицы и античастицы. Таким образом, позитрон является античастицей электрона, обладающий такой же, как и электрон, массой m e+ = m e- = 9.1·10 -27 г, энергией покоя m o с 2 = 0.511 МэВ и элементарным, но противоположным по знаку, зарядом е = 1.6·10 -19 K и спином S = 1/2h . Для позитронa магнитный момент определяется из соотношения m = ep /2mc = 9.27·10 -21 эрг/Гс. Позитрон принадлежит к классу лептонов с лептонным зарядом L e+ = -1, а для электрона он равен L e- = +1. Как и все лептоны, позитрон вступает во взаимодействие с другими элементарными частицами посредством электромагнитного и слабого взаимо-действий. Сила электромагнитного взаимодействия характеризуется постоянной тонкой структуры a = e 2 /hc = =1/137, в то же время слабому взаимодействию соответствует эффективная постоянная связи по величине порядка 10 -14 .

В природе не существует естественных источников позитронов. Поэтому обычно их получают за счет ядерных реакций в различных ядерных энергетических установках. Основные, наиболее приемлемые типы источников и способы их получения сведены в таблицу 5.1. Среди перечисленных 64 Cu и 58 Co являются чисто реакторными и получают их путем облучения исходных материалов потоком тепловых нейтронов. Остальные изотопы получают облучением ускоренными заряженными частицами на циклотронах. Причем, изотопы 58 Co, 55 Co и 90 Nb можно получить за счет различных реакций и из разных исходных материалов. К сожалению, не все указанные изотопы пригодны для экспериментов с использованием электронно-позитронной аннигиляции.

Таблица 5.1 Основные источники позитронов

Основными критериями выбора источников позитронов, пригодных для этой цели, являются стоимость и период полураспада. Наиболее доступным среди перечисленных считается изотоп 64 Сu. Но он - наименее удобен в виду короткого периода полураспада, равного 12,8 часа и не пригоден для временных измерений из - за отсутствия маркерного излучения, соответствующего вылету позитрона из ядра, хотя иногда встречаются отдельные работы с применением этого источника активностью до 1 Ки. Более всего распространенным во всех отношениях является источник 22 Na с периодом полурпаспада 2.58 года с непрерывным энергетическим спектром в интервале 0-540 кэВ с максимальной кинетической энергией позитронов 540 кэВ, излучающий к тому же ядерный гамма-квант с E =1.28 МэВ, соответствующий моменту вылета позитрона при распаде ядра через промежуток времени менее 10 -11 сек. При этом основная доля позитронов этого изотопа имеет энергию в интервале 200 - 300 кэВ. Глубина проникновения таких частиц для тугоплавких металлов не превышает 20 - 30 мкм, в то же время для энергетических позитронов E = 1,5-1,9 МэВ (44 Ti, 68 Ge) этот показатель может достигнуть значительной величины, хотя с точки зрения периода полураспада Ti - 44 (4,8 лет) более удобен. Но данный изотоп, получаемый по реакции 45 Sc (p , 2n ) 44 Ti, промышленностью обычно не выпускается из-за дороговизны. В то же время изотоп 22 Na, получаемый по реакции (p , a ) из 25 Mg, удобен во всех отношениях для использования в экспериментах по ЭПА, в том числе при измерении угловых распределений, доплеровского уширения аннигиляционной линии, времени жизни позитронов и скорости счета 3g-совпадений. Распад ядра 22 Na происходит по следующей схеме (рис. 5.1): . В этой реакции распада ядро 22 Nа рождается в возбужденном состоянии со временем жизни менее 10 -12 с. Возвращаясь в основное состояние, оно испускает ядерный квант с энергией Е =1.28 МэВ, свидетельствующий о рождении позитрона. Существуют и другие b + - изотопы, такие как 48 V, 65 Zn и 66 Ga, но не имеющие практического значения по разным причинам, в том числе короткий период полураспада, низкая доля выхода позитронов из-за электронного захвата э -захват) и др.

Рис. 5.1 Диаграмма распада ядра изотопа 22 Na c испусканием позитрона и ядерного g- кванта с Е = 1,28 МэВ

Эмиттированный источником позитрон, проникая в исследуемое вещество на определенную глубину в зависимости от энергии, испытывает многочисленные столкновения с атомами среды, которые, как обычно, находятся в состоянии тепловых колебаний, называемых фононами. Столкновение высокоэнергетического позитрона с атомом сопровождается возбуждением и ионизацией последнего, и, как следствие, позитрон постепенно и полностью теряет свою скорость и в конце пути приобретает энергию, соответствующую абсолютной температуре (Т ) среды: E 0 = kT , где k -постоянная Больцмана. Данный процесс носит название термолизации, а сам позитрон - термолизованным. Фундаментальным результатом этого явления считается время термолизации, в течение которого позитрон рассеивает свою первоначальную энергию. Ранние оценки этой величины Гарвиным дали значения 10 -14 с. Другие авторы получили значительно большую величину 3·10 -10 с. Позже Ли-Уайтинг, применив многочастичную теорию, на основании экранированного кулоновского потенциала для взаимодействующих электрона и позитрона установил, что энергия позитрона падает в столкновениях с окружающей средой от 4 до 1 эВ, за время ~3·10 -15 с, от 1 до 0.1 эВ - за время 2·10 -13 с, и от 0.1 до 0.025 эВ - за время 3·10 -12 с.

Величина E =0.025 эВ соответствует значению энергии тепловых колебаний частиц при T =300 K. Следовательно, процесс термолизации позитрона происходит за время, намного меньше времени его жизни до аннигиляции. Последующие теоретические расчеты и экспериментальные проверки могли уточнить, но не внесли существенных изменений в указанное значение времени термолизации позитронов в твердом теле. Это обстоятельство послужило основанием использования аннигиляционных фотонов для изучения свойств конденсированных сред, поскольку электроны проводимости, с которыми взаимодействует позитрон, занимает энергетическую полосу в пределах до нескольких электрон-вольт, и, что не менее важно, позитрон не вносит своего вклада в суммарный импульс и энергию пары и им всегда можно пренебречь. Поэтому информация, которую несут аннигиляционные фотоны, соответствует состоянию электронов вещества, в котором произошли термолизация, взаимодействие и аннигиляция позитрона. Возникает вопрос, как ведет себя позитрон в конденсированной среде после термолизации? Естественно предположить, что как и любая другая свободная частица, позитрон будет диффундировать в межатомном, межмолекулярном пространстве среды. Практически во всех работах диффузия позитронов описывается в классическом приближении с коэффициентом диффузии D + :

(5.2)

где n (r , t ) - плотность распределения позитронов в среде.

Диффундирующий позитрон может вступить во взаимодействие с фононом, электроном и примесями. При комнатной температуре наиболее вероятно рассеивание термолизованного позитрона на фононах, благодаря чему позитрон может пройти путь порядка сотен нанометров до аннигиляции. Последующая судьба позитрона после термолизации определяется взаимной ориентацией спинов электрона и позитрона. Если при вступлении во взаимодействие полуцелые спины электрона и позитрона параллельны, суммарный спин пары равен единице, то такое связанное состояние называется триплетным, а сама пара носит название ортопозитрония (о-Ps). При антипараллельных спинах суммарный спин пары равен нулю. В этом случае образуется парапозитроний (p-Ps) в синглетном состоянии. В определенной степени позитроний, размеры которого достигают ~0.1 нм, напоминает атом водорода (Н), в котором протон замещен позитроном, поскольку вид энергетических спектров и волновых функций H и Ps подобны, хотя приведенная масса позитрона в два раза ниже водородной, но обладает вдвое большим, чем атом H, боровским радиусом. При отсутствии внешних и других магнитных полей ортопозитроний образуется в 751 всех случаев, а в остальных - парапозитроний. Находясь в свободном пространстве p-Ps распадается на два g-кванта со временем жизни

(5.3)

тогда как о-Ps распадается на три g-кванта со временем жизни

(5.4)

где l s и l t - соответствующие скорости аннигиляции p-Ps и о-Ps.

Отношение времен жизни триплетного и синглетного состояний равно t t /t s =1115. Такое положение, как уже отмечали, наблюдается только в свободном пространстве. Однако в конденсированной среде позитроний находится не в изолированном состоянии. Благодаря взаимодействию о-Ps с окружающей средой, значение t t существенно сокращается из-за перехода позитрония из орто состояния в пара состояние, т.е. так называемой орто-параконверсии, а также за счет явления «pick–off» аннигиляции, когда позитрон из состава о-Ps вступает во взаимодействие с электроном среды и аннигилирует с ним. Переход позитрония из триплетного состояния в синглетное возможно при взаимодействии о-Ps с парамагнитными частицами среды. При этом наиболее вероятен прямой спиновый обмен между парамагнитной молекулой, обладающей не спаренным электроном (Mï­¯ï) и ортопозитронием (о-Ps ꯯ú) по схеме:

М ê­ï + о-Ps ê ¯¯ ú ® М ú¯ô + р-Ps (5.5)

Здесь ­ и ¯ -направления спинов электрона и позитрона, соответственно. Кроме того, к сокращению времени жизни триплетного состояния приводят всевозможные химические реакции замещения, окисления и присоединения, протекающие с участием позитрония. Все эти механизмы, способствующие сокращению времени жизни позитрония, объединяются общим термином «тушение». Характерным признаком позитрония является «магнитное тушение» триплетного состояния, в результате которого о-Ps с квантовым числом m=0 переходит в синглетное состояние, увеличивая долю двух квантовой аннигиляции.

Разумеется, образование позитрония может происходить при определенных условиях в атмосфере некоторых газов под высоким давлением, в жидкостях, полимерных, аморфных и некоторых других специфических материалах, о которых речь пойдет в дальнейшем. Вероятность образования позитрония максимально, если энергия позитрона Е е находится в пределах так называемой «щели Оре», получившей свое название по имени норвежского физика. Конечно, понятие «щели» здесь относительное, под которой понимается энергетический участок между двумя предельными значениями энергии, называемые верхней и нижней границами:

V >E e >(V 1 -6.8) (эВ), (5.6)

где V - энергия ионизации молекулы; V 1 - верхняя, 6.8- нижняя граница «щели».

Последняя соответствует энергии связи основного состояния атома позитрония. При сокращении ширины “щели“ до нуля или замедлении позитрона до энергии, меньше нижней границы, позитроний не образуется. Это характерно для ионных кристаллов и металлов, обладающих неспаренным электроном, что находит свое экспериментальное подтверждение.

Отдельные авторы попытались обосновать возможность образования другого типа связанного состояния электрона и позитрона в металлах, ответственного за появление узких пиков на спектре угловой корреляции аннигиляционного излучения. Однако в литературе трудно найти единого мнения по этому вопросу, хотя отдельные экспериментальные данные, связанные с измерениями скорости счета 3g - аннигиляции в ионных кристаллах свидетельствует в пользу этого явления. Но все же большинство исследователей склонны отрицать возможность появления квазипозитрониевого канала аннигиляции позитронов в металлах, тем более, что вопрос о природе самого квазипозитрония еще остается открытым. Иногда встречаются некоторые противоречивые сведения о новой «нейтральной квазичастице», носящей названия псевдопозитрония - PPs, образующегося «при внесении легкой заряженной частицы в электронную жидкость металла». По мнению автора считается, что вследствие компенсации спинов электронов «шубы», PPs обладает спином локализованного позитрона. Масса «поступательного движения» PPs, в отличие от массы Ps (2m 0), совпадает с массой позитрона (m 0). На спектрах угловой корреляции PPs проявляется в существовании «хвостов» и принципиальным отсутствием излома, связанного с граничным импульсом Ферми электронов проводимости. Увы, из этих приведенных сведений невозможно установить - почему «нейтральная частица» должна аннигилировать и на каком основании ее масса и спин должны соответствовать аналогичным параметрам позитрона. Еще, если существуют «хвосты и изломы» характерные угловым распределениям, то почему бы не быть того же и на временных распределениях?

Однако следует отметить, что без привлечения сложнейших квантово-механических методов расчета к этим системам, гипотезы о поведении, структуре и состоянии этих частиц останутся на уровне прогнозов. На сегодняшний день в этом направлении уже сделано немало и, без преувеличения можно сказать, что на наших глазах наука об электронно-позитронной аннигиляции переводится «с рельсов» прогнозов на уровень строгой и качественной квантово - механической теории с присущей практической направленностью, в становлении и развитии которой значительную роль сыграли и труды отечественных ученых.

Завершая обсуждения различных свойств позитрона и позитронсодержащих систем, хотелось бы отметить о том, что здесь не ставилась цель всеобъемлющего анализа всех аспектов физики и химии этого уникального явления природы, которое в настоящее время находит широкое практическое применение в физике твердого тела, химии и даже биологии. Главное - осветить наиболее важнейшие его моменты, подчеркнув тем самым насколько важно продолжение исследований в этой области, которые могут принести человечеству в будущем новые области приложения методов ЭПА и откроют эффективные пути решения сложнейших проблем по изучению структуры, состояния и свойств вещества.

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.

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).

1. Описан метод, с помощью которого удается заставить частицы, обладающие огромной энергией, фотографировать следы своих собственных путей в камере Вильсона.
2. 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.
3. 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…
4. 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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.