Что такое позитрон и его аннигиляция с электроном. Значение слова позитрон

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.

  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.

  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 .

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

  Примечания

  См. также

  
  

  Элементарные частицы	Фермионы Бозоны Другие Ду́хи Гипотетические Другие A 0 · Дилатон · · J · Тахион · · X (4140) · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино

  Составные частицы

  Адроны	Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n ) · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · · φ · ω · · ϒ · θ · · · ·
  Другие	Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы
  Гипотетические
  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 .

  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.

  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.

  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 .

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

  Примечания

  См. также

  
  

  Элементарные частицы	Фермионы Бозоны Другие Ду́хи Гипотетические Другие A 0 · Дилатон · · J · Тахион · · X (4140) · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино

  Составные частицы

  Адроны	Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n ) · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · · φ · ω · · ϒ · θ · · · ·
  Другие	Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы
  Гипотетические
  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 .

  1932. Открытие позитрона.

  Carl David Anderson

  Позитрон, зарегистрированный в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. После прохождения свинцовой пластинки энергия позитрона уменьшается, соответственно уменьшается кривизна его траектории в магнитном поле.

  Нобелевская премия по физике

  1936 г . – К. Андерсон За открытие позитрона

  Открытиепозитрона

  Характеристика	Численное значение
  Спин J ,=
  Масса m e c 2 , МэВ	0.51099892±0.00000004
  Электрический заряд, Кулон	(1.60217653±0.00000014)·10−19
  Магнитный момент, e = /2m e c	1.001159652187±0.000000000004
  	> 4.6·1026
  Время жизни, лет
  Лептонное число L e
  Лептонные числа L μ ,L τ

  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.

  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.

  Почему e - иe + являются

  стабильными частицами?

  

  Нейтрино ν

  1931. В.Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино для объяснения спектра электронов β -распада

  n → p+ e− + υ e

  1956. Ф. Райнес,

  К. Коэн зарегистрировали антинейтрино.

  

  Электронное антинейтрино

  1953 – 1956 Ф. Райнес, К. Коэн

  ν +p →e + +n

  Источник антинейтрино – ядерный реактор e + + e − → 2 γ ~10 микросекунд

  n + Cd(A) → Cd(A+ 1) * → Cd(A+ 1) + (3 − 5) γ

  σ (ν p )= 10− 43 см 2

  Открытиеантинейтрино (1)

  Доказать существование электронного антинейтрино удалось в 1956 г. Райнесу и Коэну. Для этого они использовали реакцию

  образуется большое число антинейтрино, которые и предполагалось зарегистрировать с помощью реакции (*). Протонная мишень представляла собой два бака по 200 л каждый, заполненные раствором хлористого кадмия в воде (CdCl2 +H2 O). Возникающие в результате реакции позитроны регистрировались по аннигиляционным γ -квантам,

  образующимся при взаимодействии позитронов с электронами вещества мишени.

  e ++ e −→ 2 γ .

  Образующиеся в результате аннигиляции γ -кванты

  вызывали световые вспышки в жидких сцинтилляторах (3 емкости по 1200 л каждая), расположенных по обе стороны от двух протонных мишеней. Световые вспышки регистрировали 100 фотоумножителей. Образующиеся в реакции нейтроны замедлялись в мишени до тепловых энергий и поглощались ядрами кадмия. Кадмий имеет большое сечение реакции (n , γ ) захвата тепловых нейтронов. Среднее

  время замедления нейтронов в водородосодержащей среде ~10 мкс. В результате захвата нейтронов изотопы кадмия образовывались в возбуждённом состоянии. Переход их в основное состояние сопровождался испусканием 3-5 γ -

  квантов. Для идентификации антинейтрино регистрировались аннигиляционные γ -кванты и образующиеся приблизительно через 10 мкс γ -кванты из реакции радиационного захвата на