Позитрон

Позитрон
Символ	$\, e^+$
Масса	9,1093826(16)·10−31кг, 0,510998910(13) МэВ/c2
Античастица	электрон
Классы	фермион, лептон
Квантовые числа
Электрический заряд	+1
Спин	1/2
Изотопический спин	0
Барионное число	0
Странность	0
Очарование	0
Другие свойства
Время жизни	∞ (не менее 4,6·1026 лет)
Схема распада	—
Кварковый состав	—

Позитро́н (от англ. positive — положительный) — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции 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.

Открытие

Существование позитрона впервые было предположено в 1928^[1] 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.^[2]

Позитрон был открыт в 1932 г. американским физиком Андерсоном при наблюдении космического излучения с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле. Название «позитрон» придумал сам Андерсон. Интересно, что Андерсон также предлагал, правда безуспешно, переименовать электроны в «негатроны». Он сфотографировал следы частиц, которые очень напоминали следы электронов, но имели изгиб под действием магнитного поля, противоположный следам электронов, что свидетельствовало о положительном электрическом заряде обнаруженных частиц. Вскоре после этого открытия, также с помощью камеры Вильсона, были получены фотографии, проливавшие свет на происхождение позитронов: под действием γ-квантов вторичного космического излучения позитроны рождались в парах с обычными электронами. Такие свойства вновь открытой частицы оказались в поразительном согласии с уже имевшейся релятивистской теорией электрона Дирака. В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри во Франции открыли ещё один источник позитронов — β⁺-радиоактивность.

Позитрон оказался первой открытой античастицей. 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.

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 1,022 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 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.

С 1951 г. известно, что в некоторых аморфных телах, жидкостях и газах позитрон после торможения в значительном числе случаев сразу не аннигилирует, а образует на короткое время связанную с электроном систему, получившую название позитроний. Позитроний в смысле своих химических свойств аналогичен атому водорода, так как представляет собой систему, состоящую из единичных положительного и отрицательного электрических зарядов, и может вступать в химические реакции. Поскольку электрон и позитрон — разные частицы, то в связанном состоянии с наинизшей энергией они могут находиться не только с антипараллельными, но и с параллельными спинами. В первом случае полный спин позитрония s = 0, что соответствует парапозитронию, а во втором — s = 1, что соответствует ортопозитронию. Интересно, что аннигиляция электрон-позитронной пары в составе ортопозитрония не может сопровождаться рождением двух γ-квантов. Два γ-кванта уносят друг относительно друга механические моменты, равные 1, и могут составить полный момент, равный нулю, но не единице. Поэтому аннигиляция в этом случае сопровождается испусканием трёх γ-квантов с суммарной энергией 1,022 МэВ. Образование ортопозитрония в три раза более вероятно, чем парапозитрония, так как отношение статистических весов (2s+1) обоих состояний позитрония 3:1. Однако даже в телах с большим процентом (до 50 %) аннигиляции пары в связанном состоянии, то есть после образования позитрония, преимущественно появляются два γ-кванта и лишь очень редко три. Дело в том, что время жизни парапозитрония около 10⁻¹⁰ с, а ортопозитрония — около 10⁻⁷ с. Долгоживущий ортопозитроний, непрерывно взаимодействующий с атомами среды, не успевает аннигилировать с испусканием трёх γ-квантов прежде, чем позитрон, входящий в его состав, аннигилирует с посторонним электроном в состоянии с антипараллельными спинами и с испусканием двух γ-квантов.

Возникающие при аннигиляции остановившегося позитрона два гамма-кванта несут энергию по 511 кэВ и разлетаются в строго противоположных направлениях. Этот факт позволяет установить положение точки, в которой произошла аннигиляция, и используется в позитрон-эмиссионной томографии.

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 ⁴⁰K 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: $p^+ + \bar{\nu}_e \rightarrow n^0 + e^+.$ Такая реакция происходит в природе, поскольку существует поток антинейтрино с энергией выше порога обратного бета-распада, возникающих, например, при бета-распаде природных радиоактивных ядер.

Литература

• Все известные свойства позитрона систематизированы в обзоре Particle Data Group [1].
• Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М. Атомиздат, 1971.

Примечания

1. ↑ 6.9. Элементарные частицы
2. ↑ В действительности есть малые различия в других физических характеристиках, например, в массе.

См. также

• Электрон
• Позитроний
• Антивещество

Квантовая электродинамика  п·Электрон | Позитрон | Фотон Аномальный магнитный момент Позитроний Частицы в физике   Элементарные частицы Фермионы Кварки u · d · c · s · t · b Лептоны e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · νe · νe · νμ · νμ · ντ  · ντ Бозоны Калибровочные бозоны γ · g · W-бозон · Z-бозон бозоны Хиггса H0 Другие Ду́хи Гипотетические Суперпартнёры Гейджино Чарджино · Глюино · Гравитино · Нейтралино Другие Аксино · Хиггсино · Сфермион Другие A0 · Дилатон · G · J · Тахион · X · X (4140) Y · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино Составные частицы Адроны Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n)  · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · η′  · φ · ω  · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T Другие Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы Гипотетические Экзотические адроны Экзотические барионы Дибарион · Пентакварк Экзотические мезоны Глюбол · Тетракварк Другие Мезонная молекула · Померон Квазичастицы Солитон Давыдова · Экситон · Биэкситон · Магнон · Фонон · Плазмон · Поляритон · Полярон · Примесон · Ротон · Биротон · Дырка · Электрон · Куперовская пара · Орбитон · Трион · Фазон · Флуктуон · Энион · Холон и спинон Списки Список частиц · Список квазичастиц · Список барионов · Список мезонов · История открытия частиц Wikimedia Foundation. 2010. Игры ⚽ Поможем решить контрольную работу Синонимы: античастица, антиэлектрон, частица Галковский, Дмитрий Евгеньевич Старовойтова, Галина Васильевна Полезное Смотреть что такое "Позитрон" в других словарях: позитрон — позитрон …   Орфографический словарь-справочник ПОЗИТРОН — (e+), элементарная частица, входящая в класс лептонов; античастица по отношению к электрону массы их равны, а заряды равны и противоположны по знаку. Свободный позитрон стабилен, но в веществе существует короткое время (в свинце 5?10 11 с) из за… …   Современная энциклопедия Позитрон — (e+), элементарная частица, входящая в класс лептонов; античастица по отношению к электрону массы их равны, а заряды равны и противоположны по знаку. Свободный позитрон стабилен, но в веществе существует короткое время (в свинце 5´10 11 с) из за… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь ПОЗИТРОН — (от лат. positivus положительный и ...трон) (е+) античастица электрона. Позитрон стабилен, но в веществе из за аннигиляции с электронами (е?) существует очень короткое время. Позитроны образуются в процессах рождения пар е+ е? гамма квантами, при …   Большой Энциклопедический словарь ПОЗИТРОН — (е+ ) (от лат. posi(tivus) положительный и (элек)трон), элементарная частица с положит. электрич. зарядом, античастица по отношению к эл ну (е ). Массы (mе) и спины (J) П. и эл на равны, а их электрич. заряды (е) и магн. моменты (mе) равны по абс …   Физическая энциклопедия позитрон — антиэлектрон Словарь русских синонимов. позитрон сущ., кол во синонимов: 3 • античастица (3) • …   Словарь синонимов «Позитрон» — (улица Курчатова, 10), научно производственное объединение. Создано в 1969. Выпускает конденсаторы различных типов, сложную электронную бытовую технику, в том числе цветные малогабаритные телевизоры и кассетные магнитофоны, другие товары… …   Энциклопедический справочник «Санкт-Петербург» ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, АНТИЧАСТИЦА ЭЛЕКТРОНА, т. е. идентичная электрону, но имеющая положительный, а не отрицательный, заряд. Исходя из теории электрона, сформулированной Полем ДИРАКОМ в 1928 г., должна была существовать частица, зеркально противоположная… …   Научно-технический энциклопедический словарь ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, позитрона, муж. (от слов позитивный и электрон) (физ.). Положительный электрон. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 …   Толковый словарь Ушакова ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, а, муж. (спец.). Элементарная частица с положительным зарядом, с массой, равной массе электрона. | прил. позитронный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова 18+ © Академик, 2000-2024 Обратная связь: Техподдержка, Реклама на сайте 👣 Путешествия Экспорт словарей на сайты, сделанные на PHP, Joomla, Drupal, WordPress, MODx. Пометить текст и поделиться Искать во всех словарях Искать в переводах Искать в Интернете Поделиться ссылкой на выделенное Прямая ссылка: … Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»