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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。

正電子（反電子）
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]
[1822.8884845(14)]−1 u[註 1]

0.510998928(11) MeV/c2[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

理論

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

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

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

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

  1. ^ 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

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 科技數據委員會(CODATA)的數值來源為：
    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）. 
  2. ^ P. A. M. Dirac. The quantum theory of the electron (PDF). [2013-07-05]. （原始內容存檔 (PDF)於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. （原始內容存檔於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 (演講). Nobel Lecture. 1965-12-11 [2007-01-02]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於2008-09-16）. 
  15. ^ Bland, E. Laser technique produces bevy of antimatter. MSNBC. 1 December 2008 [2009-07-16]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於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. 

外部連結

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