Positron

Positroni  ( )
Yhdiste perushiukkanen [1]
Perhe Fermion
Ryhmä Lepton
Sukupolvi ensimmäinen
Osallistuu vuorovaikutukseen gravitaatio [2] , heikko ja sähkömagneettinen
Antihiukkanen Elektroni
Paino

9,10938356(11)⋅10 −31 kg [3] ,
0,5109989461(31) MeV [3] ,

5.48579909070(16)⋅10 −4 amu [3]
Elinikä ∞
Teoreettisesti perusteltu P. Dirac (1928)
Löytyi K. D. Anderson (1932)
kvanttiluvut
Sähkövaraus +1 e
+1.6021766208(98)⋅10 −19  C [3]
baryonin numero 0
Leptonin numero −1
B−L +1
Pyöritä 1/2 ħ
Magneettinen momentti +9.274009994(57)⋅10 −24 J / T
Sisäinen pariteetti −1
Isotooppinen spin 0
Heikon isospinin kolmas komponentti +1/2 (oikea kiraalisuus ),
0 (vasen kiraalisuus)
Heikko ylilataus +1 (oikea kiraalisuus ),
+2 (vasen kiraalisuus)
 Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa

Positron ( englannin sanasta  posit ive  "positive" + elektron " elektron") on elektronin antihiukkanen . Viittaa antiaineeseen , jonka sähkövaraus on +1, spin 1/2, leptonin varaus -1 ja massa yhtä suuri kuin elektronin. Kun positroni tuhoutuu elektronilla, niiden massa muunnetaan energiaksi kahden (ja paljon harvemmin - kolmen tai useamman) gamma-kvantin muodossa .

Positronit syntyvät yhdessä radioaktiivisen hajoamisen tyypeistä ( positroniemissio ) sekä fotonien , joiden energia on suurempi kuin 1,022 MeV, vuorovaikutuksessa aineen kanssa . Jälkimmäistä prosessia kutsutaan " parin muodostukseksi", koska sen toteutuksen aikana fotoni, joka on vuorovaikutuksessa ytimen sähkömagneettisen kentän kanssa , muodostaa samanaikaisesti elektronin ja positronin. Positroneja voi myös esiintyä elektroni-positroniparien tuotantoprosesseissa vahvassa sähkökentässä .

Discovery

Paul Dirac ehdotti positronin olemassaoloa ensimmäisen kerran vuonna 1928 [4] . Diracin teoria ei kuvannut vain elektronia , jolla on negatiivinen sähkövaraus , vaan myös samanlaisen hiukkasen, jolla on positiivinen varaus. Tällaisen hiukkasen puuttumista luonnosta pidettiin osoituksena Dirac-yhtälöiden "lisäratkaisuista". Mutta positronin löytäminen oli teorian voitto.

Diracin teorian mukaan elektroni ja positroni voivat syntyä parina, ja tämän prosessin tulee kuluttaa energiaa yhtä paljon kuin näiden hiukkasten lepoenergia, 2 × 0,511 MeV . Koska luonnon radioaktiivisten aineiden tiedettiin emittoivan γ-kvantteja , joiden energia oli suurempi kuin 1 MeV , oli mahdollista saada positroneja laboratoriossa, mikä tehtiin. Positronien ja elektronien ominaisuuksien kokeellinen vertailu osoitti, että kaikki näiden hiukkasten fysikaaliset ominaisuudet, paitsi sähkövarauksen merkki, ovat samat.

Amerikkalainen fyysikko Anderson löysi posironin vuonna 1932 tarkkaillessaan kosmista säteilyä magneettikenttään sijoitetun pilvikammion avulla . Hän kuvasi hiukkaspolkuja, jotka muistuttivat läheisesti elektronien polkuja, mutta esittivät magneettikentän, joka käänsi elektroniradan päinvastaiseksi, mikä osoitti havaittujen hiukkasten positiivisen sähkövarauksen. Pian tämän löydön jälkeen, myös pilvikammion avulla, otettiin valokuvia, jotka valaisevat positronien alkuperää: sekundaarisen kosmisen säteilyn γ-kvantin vaikutuksesta positronit syntyivät pareittain tavallisten elektronien kanssa. Tällaiset äskettäin löydetyn hiukkasen ominaisuudet olivat hämmästyttävän sopusoinnussa Diracin jo olemassa olevan elektronin relativistisen teorian kanssa. Vuonna 1934 Irene ja Frederic Joliot-Curie Ranskassa löysivät toisen positronien - β + -radioaktiivisuuden lähteen .

Nimen "positron" loi Anderson itse. Anderson ehdotti myös elektronien uudelleennimeämistä "negatroneiksi"; tätä termiä elektroneille käytetään edelleen tapauksissa, joissa elektroneja ja positroneja tarkastellaan yhdessä [5] ; näissä tapauksissa termillä "elektroni" viitataan usein sekä hiukkasiin - elektroniin (negatroniin) että positroniin [6] .

Positroni oli ensimmäinen löydetty antihiukkanen . Elektroniantihiukkasen olemassaolo ja kahden antihiukkasen kokonaisominaisuuksien vastaavuus Diracin teorian päätelmiin, jotka voitaisiin yleistää muihin hiukkasiin, osoitti kaikkien alkuainehiukkasten pariluonteen mahdollisuutta ja ohjasi myöhempää fysikaalista tutkimusta. Tämä suuntautuminen osoittautui poikkeuksellisen hedelmälliseksi, ja tällä hetkellä alkuainehiukkasten pariluonto on täsmälleen vakiintunut luonnonlaki, jota tukevat monet kokeelliset tosiasiat.

Hävitys

Diracin teoriasta seuraa, että elektronin ja positronin on tuhouduttava törmäyksen aikana energian vapautuessa, joka on yhtä suuri kuin törmäyshiukkasten kokonaisenergia. Kävi ilmi, että tämä prosessi tapahtuu pääasiassa positronin hidastumisen jälkeen aineessa, kun kahden hiukkasen kokonaisenergia on yhtä suuri kuin niiden lepoenergia 1,0221 MeV. Kokeessa rekisteröitiin γ-kvantteja, joiden energia oli 0,511 MeV ja jotka lensivät vastakkaisiin suuntiin positroneilla säteilytetystä kohteesta. Tarve tuhota elektroni ja positroni tuottamaan ei yhtä, vaan vähintään kaksi γ-kvanttia seuraa liikemäärän säilymislaista . Kokonaisliikemäärä positroni-elektronin massakeskipisteen järjestelmässä ennen muunnosprosessia on nolla, mutta jos vain yksi γ-kvantti ilmestyisi tuhoamisen aikana, se kuljettaisi pois liikemäärän, joka ei ole yhtä suuri kuin nolla missään vertailukehyksessä .

Vuodesta 1951 lähtien on tiedetty, että joissakin amorfisissa kappaleissa , nesteissä ja kaasuissa positroni ei tuhoudu välittömästi jarrutuksen jälkeen, vaan muodostaa lyhyen aikaa elektroniin liittyvän järjestelmän, jota kutsutaan positroniumiksi . Positronium on kemiallisilta ominaisuuksiltaan samanlainen kuin vetyatomi , koska se on järjestelmä, joka koostuu yksittäisistä positiivisista ja negatiivisista sähkövarauksista ja voi osallistua kemiallisiin reaktioihin . Koska elektroni ja positroni ovat eri hiukkasia, ne voivat olla sidottussa tilassa pienimmällä energialla paitsi antirinnakkaisilla myös rinnakkaisilla spineillä . Ensimmäisessä tapauksessa positroniumin kokonaisspin on s = 0, mikä vastaa parapositroniumia , ja toisessa s = 1, joka vastaa ortopositroniumia . Mielenkiintoista on, että elektroni-positroniparin tuhoamiseen ortopositroniumissa ei voi liittyä kahden y-kvantin muodostumista. Kaksi γ-kvanttia kuljettavat pois toisiinsa nähden mekaanisia momentteja, jotka ovat yhtä kuin 1, ja voivat muodostaa kokonaismomentin, joka on yhtä suuri kuin nolla, mutta ei yhtä. Siksi tuhoamiseen tässä tapauksessa liittyy kolmen y-kvantin emissio, joiden kokonaisenergia on 1,022 MeV. Ortopositroniumin muodostuminen on kolme kertaa todennäköisempää kuin parapositroniumin, koska positroniumin molempien tilojen tilastollisten painojen suhde (2 s +1) on 3:1. Kuitenkin jopa kappaleissa, joissa on korkea prosenttiosuus (jopa 50 %) parien tuhoutuminen sitoutuneessa tilassa, eli positroniumin muodostumisen jälkeen, esiintyy pääasiassa kaksi y-kvanttia ja vain hyvin harvoin kolme. Asia on siinä, että parapositroniumin elinikä on noin 10 -10 s, kun taas ortopositroniumin noin 10 -7 s. Pitkäikäinen ortopositronium, joka on jatkuvasti vuorovaikutuksessa väliaineen atomien kanssa, ei ehdi tuhoutua kolmen γ-kvantin emissiolla ennen kuin siihen kuuluva positroni tuhoutuu vieraalla elektronilla tilassa, jossa on antirinnakkaiskierrokset. ja kahden y-kvantin emission kanssa.

Kaksi pysähtyneen positroni tuhoutumisesta syntyvää gamma-kvanttia kuljettavat kukin 511 keV energiaa ja siroavat tiukasti vastakkaisiin suuntiin. Tämä tosiasia mahdollistaa tuhoutumiskohdan sijainnin ja sitä käytetään positroniemissiotomografiassa .

Vuonna 2007 kahden positronin ja kahden elektronin sidotun järjestelmän ( molekyylipositronium ) olemassaolo todistettiin kokeellisesti. Tällainen molekyyli hajoaa jopa nopeammin kuin atomipositronium.

Positronit luonnossa

Uskotaan, että ensimmäisinä hetkinä alkuräjähdyksen jälkeen positronien ja elektronien lukumäärä universumissa oli suunnilleen sama, mutta tämä symmetria rikkoutui jäähtymisen aikana. Kunnes maailmankaikkeuden lämpötila putosi 1 MeV:iin, lämpöfotonit ylläpisivät jatkuvasti tiettyä positronipitoisuutta aineessa luomalla elektroni-positroniparia (sellaiset olosuhteet ovat edelleen olemassa kuumien tähtien syvyyksissä). Jäähdytettyään maailmankaikkeuden aineen parin muodostumisen kynnyksen alapuolelle jäljellä olevat positronit tuhoutuivat ylimäärällä elektroneja.

Avaruudessa positroneja syntyy, kun kosmisten säteiden gamma-kvantit ja energiset hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa sekä näiden hiukkasten joidenkin tyyppien (esimerkiksi positiivisten myonien ) hajoamisen aikana. Näin ollen osa primäärisäteistä on positroneja, koska elektronien puuttuessa ne ovat stabiileja. Joillakin galaksin alueilla on havaittu 511 keV:n annihilaatiogammaviivoja, mikä todistaa positronien olemassaolon.

Auringon lämpöytimen pp-syklissä (samoin kuin CNO-syklissä ) osaan reaktioista liittyy positronin emissio, joka tuhoutuu välittömästi yhdellä ympäröivästä elektronista; siten osa aurinkoenergiasta vapautuu positroneina ja niitä on aina tietty määrä Auringon ytimessä (tasapainossa muodostumis- ja tuhoutumisprosessien välillä).

Jotkut luonnossa esiintyvät radioaktiiviset ytimet (alkuperäiset, radiogeeniset, kosmogeeniset) kokevat beetahajoamista emittoivia positroneja . Esimerkiksi osa luonnollisen isotoopin 40 K hajoamisista tapahtuu juuri tämän kanavan kautta. Lisäksi radioaktiivisista hajoamisista syntyvät gamma-kvantit, joiden energia on yli 1,022 MeV, voivat synnyttää elektroni-positroni-pareja.

Kun elektronin antineutrino (energia on suurempi kuin 1,8 MeV) ja protoni ovat vuorovaikutuksessa, tapahtuu käänteinen beeta-hajoamisreaktio positronin muodostuessa: - luonnollisten radioaktiivisten ytimien hajoaminen.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ "Absoluuttinen minimi". Luku kirjasta Michael Fire Glossary Electron
  2. ↑ Ihmeellinen maailma atomiytimen sisällä Kysymyksiä luennon jälkeen . Haettu 22. tammikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 15. heinäkuuta 2015.
  3. ↑ 1 2 3 4 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Arkistoitu 8. joulukuuta 2013 the Wayback Machine Fundamental Physical Constants - Täydellinen luettelo
  4. ↑ 6.9. Alkuainehiukkaset (pääsemätön linkki) . Haettu 24. huhtikuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 28. syyskuuta 2007. 
  5. ↑ KP Beuermann et ai. Kosmisen säteilyn Negatronin ja Positronin spektrit 12 - 220 MeV // Phys. Rev. Lett.. - 1969. - Voi. 22. - s. 412-415. - doi : 10.1103/PhysRevLett.22.412 .
    H. Ejiri. Ero negatronihajoamisen ja positronihajoamisen log ft -arvojen välillä parittomista ja paritoista ytimistä parillisiin ytimiin // J. Phys. soc. Jpn.. - 1967. - Voi. 22. - s. 360-367. doi : 10.1143 / JPSJ.22.360 .
  6. ↑ Kirjailija: JG Skibo, R. Ramaty . Primaarisen ja sekundaarisen kosmisen säteen positronit ja elektronit // 23. kansainvälinen kosmisen säteen konferenssi. - 1993. - Voi. 2. - s. 132-135. — . : "Tästä lähtien termi elektroni viittaa positroneihin ja negatroneihin."

Kirjallisuus

 kvanttielektrodynamiikka
  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa