Позитрон — елементарна частинка, античастинка електрона. Належить до антиматерії. Позначається e+. Як і електрон, позитрон є лептоном і ферміоном, і бере участь у електромагнітній, слабкій і гравітаційній взаємодіях. Має однакові з електроном характеристики, за винятком того, що електричний заряд позитрона додатній, а лептонний заряд дорівнює -1.

Позитрон може утворитися при β+ розпаді ядра, при якому один із протонів перетворюється на нейтрон. Високоенергетичний гамма-квант може породити електрон-позитронну пару у сильному електромагнітному полі.

При зіткненні позитрона і електрона вони анігілюють, породжуючи два або більше гамма-квантів.

Історія Вже через рік після відкриття у 1897 році Томсоном електрону, Артур Шустер з міркувань симетрії припустив, що можуть існувати і аналогічні частинки з позитивним зарядом (антиелектрони), що утворюють антиатоми і, можливо, цілі планети з антиматеріїphysicists make the most of antimatter , проте наступні 30 років не було ніяких даних про те, що такі частинки реально існують.

Теоретичні вказівки на існування позитрона з'явилися у 1928 році, коли Поль Дірак вивів рівняння руху електрона, що пізніше було названо на його честь, і показав, що воно має чотири рівноправні розв'язки, два з яких відповідали електрону, що має спін +½ і -½, а два інших — аналогічним станам, але з від'ємною енергією. Це бентежило теоретиків, оскільки можна показати, що якщо можливі стани з від'ємною енергією, то електрони будуть переходити на них (так само, як вони переходять на нижчі орбіталі у атомах). Спочатку висувалися припущення, що ці два рішення описують протон, проте для пояснення цього парадоксу у 1930 році Дірак припустив, що існує безліч електронів, що заповнюють усі можливі енергетичні стани з від'ємною енергією (), тому, через принцип Паулі, перехід інших електронів у такі стани є неможливим. Єдиний спосіб спостерігати такі електрони — це надати одному з них додаткову енергію, наприклад, через фотон. Тоді такий електрон стане поводити себе як звичайний електрон з додатною енергією, а на його місці утвориться «дірка» — незаповнена вакансія. При зіткненні електрона з діркою вони обидва зникають, випускаючи фотон. У 1931 році Дірак показав, що така вакансія буде поводити себе як частинка, рівна електрону за масою, але протилежна за зарядом, і використав для неї термін «антиелектрон»Dirac's Prediction of the Positron: A Case Study for the Current Realism Debate . Модель Дірака сприймалася скептично, проте у 1932 році Карл Девід Андерсон експериментально відкрив позитрон у космічних променях. Цікаво, що, ймовірно, позитрони спостерігав радянський фізик Дмитро Скобєльцин ще у 1928 році, проте ідентифікував їх як електрони, що рухались від землі вгору (трек позитрона у камері Вільсона, є аналогічним треку електрона, що рухається в протилежну сторону)Этюд об античастицах: Антиматерия, антивещество… Что это такое? . Андерсон у своїх експериментах зміг показати, як саме рухалися частинки, розмістивши посередині камери металеву пластинку. Електрони і позитрони, проходячи через неї, зменшували швидкість, тому можна було легко побачити, в яку сторону вони рухалися. Андерсон був нагороджений за своє відкриття Нобелівською премією з фізики у 1936 роціAugust 1932: Discovery of the Positron . При цьому Андерсон не був знайомий з теорією Дірака, тому не одразу зрозумів, що описана ним частинка є антиелектроном (тому і запропонував для неї назву «позитрон», що не відсилає напряму до електрона). Цей погляд став більш поширеним лише після опублікованих у 1933 році експериментів Блеккета і , у яких вони змогли зробити фотографії V-подібних треків електрона і позитрона, що виходили з однієї точкиTHEORY VS. EXPERIMENT: THE CASE OF THE POSITRON .

Подальший розвиток квантової механіки у 1930-х роках показав, що «море Дірака» не є необхідним для існування позитронів, і передбачення, що дає ця модель, не відповідають реальності (наприклад, при анігіляції електрона і позитрона утворюються принаймні два фотона), тому позитрон почав сприйматись як самостійна реальна частинка.

У 1933 році Ірен та Фредерік Жоліо-Кюрі відкрили β+-розпад. Опромінюючи алюміній альфа-частинками вони створили штучний ізотоп фосфор-30, з періодом напіврозпаду 3,5 хвилини, що, розпадаючись, випромінював позитрони. У 1935 році вони отримали Нобелівську премію з хімії за свої відкриття.

У 1934 році Андрія Мохоровичич теоретично припустив існування зв'язаного стану електрона і позитрона — позитронію, а у 1951 відкрив його експериментальноHistory .

У 1939 році випромінюючі позитрони ізотопи були використані для дослідження рослин, а у 1945 році — людей. У 1948 році з'явився принциповий теоретичний опис позитрон-емісійної томографії, а у 1962 вона була вперше використана для дослідження пухлин мозку.

Джерела

Природні Частка позитронів у космічних променях змінюється від 5 % (для енергій до 1 ГеВ) до 30 % (для енергій понад 500 ГеВ). Загалом, потік позитронів з космосу досягає 62 частинки/(м²·ср·с)Electrons and Positrons in Cosmic Rays .

Практично єдиним природним ізотопом, що випромінює позитрони, є калій-40Why does positron emission occur only in artificially produced isotopes? . Його частка у природному калію становить 0,012 %, і в одному випадку з 10000 він розпадається з утворенням позитронуPositron Emission in the Decay of K40 . Таким чином, продукти і мінерали з підвищеним вмістом калію є слабкими джерелами позитронів — наприклад, у банані утворюється один позитрон кожні 75 хвилинAntimatter from bananas .

Окрім калію, існує ще кілька природних ізотопів, що, можливо, розпадаються з утворенням позитронів — хром-50, молібден-92, рутеній-96, , барій-130 і проте їх час життя є дуже великим (квінтильйони років і більше), тому точні дані про їх канали і продукти розпаду наразі невідоміCRC Handbook of Chemistry and Physics .

Згідно деяких досліджень, нестабільний ізотоп азоту , що розпадається з утворенням позитронів, може утворюватись блискавками під час грози.

Штучні Існує велика кількість ізотопів, що утворюють позитрон при розпаді, і, хоча більшість цих ізотопів не зустрічаються в природі, вони можуть бути отримані штучно. Найвживанішими є ізотопи , , і Positron-emitting isotopes produced on biomedical cyclotrons , а загалом знаходять використання більше 30 позитрон-випромінюючих ізотопівMedically-Useful Positron Emitters .

Через малу інтенсивність і складності зі збиранням у пучки, для прискорювачів більш зручними є інші способи отримання позитронів — генерування їх фотонами у сильних електромагнітних полях. Вони працюють завдяки тому, що у сильному електромагнітному полі високоенергетичний фотон може розпастися на електрон-позитронну пару (чого він не може зробити у вільному стані). Існує кілька способів зробити так, щоб високоенергетичний фотон утворився в сильному поліИСТОЧНИКИ ПОЗИТРОНОВ Источники пучков заряженных частиц : Гальмівне випромінювання при русі електрона у полі ядра (для цього використовуються мішені з важких металів, таких як тантал, вольфрам і реній) Синхротронне випромінювання електронів у спіральному ондуляторі Зворотне комптонівське розсіювання ультрафіолетових фотонів на пучці ультра-релятивістських електронів.

Використання Наймасовіше позитрони використовуються для позитрон-емісійної томографії. Принцип її дії полягає в тому, що у організм пацієнта вводять радіонуклід, що утворює позитрони при розпаді. Ті, в свою чергу, анігілюють з електронами, присутніми в навколишній матерії, і випромінюють гамма-кванти. Завдяки тому, що позитрони мають низьку початкову енергію, вони породжують завжди два кванта з сталою енергією (511 КеВ), що розлітаються в протилежних напрямках, тому, фіксуючи обидва кванти, можна дуже точно визначити місце їх виникнення.

Див. також

Позитроній Електрон Ефект Соколова — Тернова

Примітки

Посилання Що таке позитрон? (from the Frequently Asked Questions :: Center for Antimatter-Matter Studies) Website about positrons and antimatter Positron information search at SLAC Positron Annihilation as a method of experimental physics used in materials research. New production method to produce large quantities of positrons Website about antimatter (positrons, positronium and antihydrogen). Positron Laboratory, Como, Italy Website of the AEgIS: Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy, CERN Synopsis: Tabletop Particle Accelerator … new tabletop method for generating electron-positron streams.