Позитрон

Позитро́н (от англ. positive «положительный» + electron «электрон») — 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.

Позитрон (${\displaystyle e^{+}}$)
Состав	фундаментальная частица
Семья	Фермион
Группа	Лептон
(Поколение)	первое
Участвует во взаимодействиях	гравитационное, слабое и электромагнитное
(Античастица)	Электрон
Масса	9,1093837015(28)⋅10^−31кг, 0,51099895000(15) (МэВ), 5,48579909065(16)⋅10^-4а.е.м.
(Время жизни)	∞
Теоретически обоснована	П. Дирак (1928)
Обнаружена	(К. Д. Андерсон) (1932)
Квантовые числа
Электрический заряд	+1e +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)
Медиафайлы на Викискладе

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 годуПолем 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.

Позитрон был открыт в 1932 году американским физиком (Андерсоном) при наблюдении (космического излучения) с помощью (камеры Вильсона), помещённой в магнитное поле. 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 году (Ирен) и (Фредерик) Жолио-Кюри во Франции открыли ещё один источник позитронов — β⁺-радиоактивность.

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

Строение позитрония. Электрон и позитрон обращаются вокруг их общего центра масс.

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 (фотонов)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 аннигиляции 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 года 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, и (принцип запрета Паули) для них неприменим, то в связанном состоянии с наинизшей энергией они могут находиться не только с антипараллельными, но и с параллельными спинами равными по модулю 1/2. В первом случае полный спин позитрония s = +1/2 — 1/2 = 0, что соответствует парапозитронию, а во втором s = +1/2 + 1/2 = 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 (моменты импульса) равные 1, и могут составить полный момент, равный нулю или двойке, 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. Измерение направления разлёта фотонов позволяет определить положение точки, в которой произошла аннигиляция, и используется в (позитрон-эмиссионной томографии).

В 2007 году экспериментально доказано существование связанной системы из двух позитронов и двух электронов ((молекулярный позитроний)), химически соответствующий молекуле водорода Н₂. 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 с образованием позитрона: ${\displaystyle p^{+}+{\bar {\nu }}_{e}\rightarrow n^{0}+e^{+}.}$ Такая реакция происходит в природе, поскольку существует поток антинейтрино с энергией выше порога обратного бета-распада, возникающих, например, при (бета-распаде) природных радиоактивных ядер.

См. также

• Электрон
• (Позитроний)
• Антивещество

Примечания

1. «Абсолютный минимум». Глава из книги Майкл Файер Глоссарий Электрон
2. Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции  (неопр.). Дата обращения: 22 января 2018. 15 июля 2015 года.
3. Fundamental Physical Constants — Complete Listing от 8 декабря 2013 на Wayback Machine. CODATA. NIST.
4.   (неопр.). Дата обращения: 24 апреля 2007. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года.
5. K. P. Beuermann et al. Cosmic-Ray Negatron and Positron Spectra Between 12 and 220 MeV // Phys. Rev. Lett.. — 1969. — Vol. 22. — P. 412–415. — doi:10.1103/PhysRevLett.22.412.
   H. Ejiri. Difference between Log ft Values of Negatron Decays and Positron Decays from Odd-Odd Nuclei to Even-Even Nuclei // J. Phys. Soc. Jpn.. — 1967. — Vol. 22. — P. 360—367. — doi:10.1143/JPSJ.22.360.
6. Из статьи J. G. Skibo, R. Ramaty. Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons // 23rd International Cosmic Ray Conference. — 1993. — Vol. 2. — P. 132—135. — (Bibcode): 1993ICRC....2..132S.: «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».

Литература

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