Pozitron

Pozitron  ( )
Összetett alapvető részecske [1]
Egy család Fermion
Csoport Lepton
Generáció első
Részt vesz az interakciókban gravitációs [2] , gyenge és elektromágneses
Antirészecske Elektron
Súly

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

5,48579909070(16)⋅10 −4 amu [3]
Élettartam ∞
Elméletileg indokolt P. Dirac (1928)
Felfedezve K. D. Anderson (1932)
kvantumszámok
Elektromos töltés +1 e
+1,6021766208(98)⋅10 −19  C [3]
barionszám 0
Lepton szám −1
B−L +1
Spin 1/2 ħ
Mágneses pillanat +9.274009994(57)⋅10 −24 J / T
Belső paritás −1
Izotópos spin 0
A gyenge izospin harmadik komponense +1/2 (jobb kiralitás ),
0 (bal kiralitás)
Gyenge túltöltés +1 (jobb kiralitás ),
+2 (bal kiralitás)
 Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon

A pozitron (az angol  pozitív  "pozitív" + elektron " elektron" szóból ) az elektron antirészecskéje . Az antianyagra utal, elektromos töltése +1, spinje 1/2, lepton töltése -1, tömege pedig megegyezik az elektronéval. A pozitron elektronnal történő megsemmisítése során tömegük energiává alakul két (és sokkal ritkábban - három vagy több) gamma-kvantum formájában .

A pozitronok a radioaktív bomlás egyik fajtájában ( pozitronemisszió ), valamint az 1,022 MeV-nál nagyobb energiájú fotonok anyaggal való kölcsönhatásában keletkeznek . Ez utóbbi folyamatot „ pártermelésnek ” nevezik, mert megvalósítása során a foton az atommag elektromágneses terével kölcsönhatásba lépve egyszerre alkot elektront és pozitront. Pozitronok jelenhetnek meg az elektron-pozitron párok keletkezési folyamataiban is erős elektromos térben .

Felfedezés

A pozitron létezését először 1928 -ban [4] Paul Dirac javasolta . Dirac elmélete nemcsak egy negatív elektromos töltésű elektront ír le , hanem egy hasonló pozitív töltésű részecskét is. Az ilyen részecske természetben való hiányát a Dirac-egyenletek "extra megoldásainak" jelzésének tekintették. De a pozitron felfedezése az elmélet diadala volt.

Dirac elméletének megfelelően egy elektron és egy pozitron párban születhet, és ennek a folyamatnak e részecskék nyugalmi energiájával egyenlő, 2 × 0,511 MeV energiát kell fogyasztania . Mivel a természetes radioaktív anyagokról ismert volt, hogy 1 MeV - nál nagyobb energiájú γ-kvantumokat bocsátanak ki , lehetséges volt pozitronokat előállítani a laboratóriumban, ami meg is történt. A pozitronok és elektronok tulajdonságainak kísérleti összehasonlítása azt mutatta, hogy ezeknek a részecskéknek az összes fizikai jellemzője az elektromos töltés előjelét kivéve egybeesik.

A pozitront 1932 -ben fedezte fel Anderson amerikai fizikus , miközben mágneses térbe helyezett felhőkamrával kozmikus sugárzást figyelt meg . Olyan részecskenyomokat fényképezett, amelyek nagyon hasonlítanak az elektronnyomokra, de olyan mágneses mezőt mutatott ki, amely megfordította az elektronnyomokat, jelezve az észlelt részecskék pozitív elektromos töltését. Nem sokkal a felfedezés után, szintén egy felhőkamra segítségével, fényképek készültek, amelyek a pozitronok eredetére világítottak rá: a másodlagos kozmikus sugárzás γ-kvantumainak hatására a pozitronok párban születtek közönséges elektronokkal. Kiderült, hogy az újonnan felfedezett részecske ilyen tulajdonságai döbbenetes összhangban állnak Dirac már meglévő elektron-relativisztikus elméletével. 1934 -ben Irene és Frederic Joliot-Curie Franciaországban fedezte fel a pozitronok - β + -radioaktivitás egy másik forrását .

A "pozitron" nevet maga Anderson találta ki. Anderson azt is javasolta, hogy az elektronokat nevezzék át „negatronoknak”; ezt az elektronok kifejezést még mindig használják olyan esetekben, amikor az elektronokat és a pozitronokat együtt tekintjük [5] ; ezekben az esetekben az "elektron" kifejezést gyakran mind a részecskékre, mind az elektronra (negatronra) és a pozitronra utalják [6] .

A pozitron volt az első antirészecske , amelyet felfedeztek . Az elektron-antirészecske létezése és két antirészecske össztulajdonságainak a Dirac-elmélet következtetéseinek való megfelelése, amely más részecskékre is általánosítható volt, rámutat az összes elemi részecske páros jellegének lehetőségére, és irányította a későbbi fizikai kutatásokat. Ez az orientáció rendkívül gyümölcsözőnek bizonyult, és jelenleg az elemi részecskék páros jellege egy pontosan megállapított természeti törvény, amelyet számos kísérleti tény támaszt alá.

Megsemmisülés

Dirac elméletéből következik, hogy az ütközés során egy elektronnak és egy pozitronnak meg kell semmisülnie az ütköző részecskék összenergiájának megfelelő energia felszabadulásával. Kiderült, hogy ez a folyamat főleg az anyagban lévő pozitron lelassulása után megy végbe, amikor két részecske összenergiája megegyezik 1,0221 MeV nyugalmi energiájával. A kísérletben 0,511 MeV energiájú γ-kvantumpárokat regisztráltak, amelyek a pozitronokkal besugárzott célponttól ellentétes irányban repültek. Az impulzusmegmaradás törvényéből következik, hogy egy elektron és egy pozitron megsemmisülésére van szükség ahhoz, hogy ne egy, hanem legalább két γ-kvantum keletkezzen . A pozitron és elektron tömegközéppontjának rendszerében az átalakulási folyamat előtt a teljes impulzus zérus, de ha csak egy γ-kvantum jelenne meg a megsemmisülés során, akkor az egyetlen referenciakeretben sem nullával egyenlő momentumot visz el. .

1951 óta ismeretes, hogy egyes amorf testekben , folyadékokban és gázokban a pozitron fékezés után jelentős számú esetben nem semmisül meg azonnal, hanem egy rövid időre elektronhoz kapcsolódó rendszert, pozitróniumot alkot . A pozitrónium kémiai tulajdonságait tekintve hasonló a hidrogénatomhoz , mivel egyetlen pozitív és negatív elektromos töltésekből álló rendszer, amely kémiai reakciókba léphet . Mivel az elektron és a pozitron különböző részecskék, nem csak antiparallel, hanem párhuzamos spinekkel is lehetnek a legkisebb energiájú kötött állapotban . Az első esetben a pozitrónium teljes spinje s = 0, ami a parapositroniumnak felel meg , a második esetben pedig s = 1, ami az ortopositroniumnak felel meg . Érdekes módon az ortopositronium elektron-pozitron párjának megsemmisülése nem járhat együtt két γ-kvantum képződésével. Két γ-kvantum mechanikai nyomatékokat visz el egymáshoz képest, ami egyenlő 1-gyel, és nullával egyenlő össznyomatékot alkothat, de egyet nem. Ezért a megsemmisülést ebben az esetben három γ-kvantum kibocsátása kíséri, amelyek összenergiája 1,022 MeV. Az ortopositronium képződésének valószínűsége háromszor nagyobb, mint a parapositroniumé, mivel a pozitrónium mindkét állapotának statisztikai súlyaránya (2 s +1) 3:1. Azonban még azokban a testekben is, ahol a kötött állapotban, azaz a pozitrónium képződése után nagy százalékban (akár 50%-os) a pármegsemmisülés történik, túlnyomórészt két γ-kvantum jelenik meg, és csak nagyon ritkán három. A lényeg az, hogy a parapositronium élettartama körülbelül 10 -10 s, míg az ortopositronium körülbelül 10 -7 s. A hosszú életű, a közeg atomjaival folyamatosan kölcsönhatásba lépő ortopositroniumnak nincs ideje megsemmisülni három γ-kvantum kibocsátásával, mielőtt a benne lévő pozitron egy idegen elektronnal megsemmisülne antiparallel spinekkel. és két γ-kvantum kibocsátásával.

A leállított pozitron megsemmisüléséből származó két gamma-kvantum egyenként 511 keV energiát hordoz, és szigorúan ellentétes irányba szóródik. Ez a tény lehetővé teszi annak a pontnak a helyét, ahol az annihiláció megtörtént, és a pozitronemissziós tomográfiában használják .

2007- ben kísérletileg igazolták a két pozitronból és két elektronból álló kötött rendszer ( molekuláris pozitrónium ) létezését. Egy ilyen molekula még az atomos pozitróniumnál is gyorsabban bomlik.

Pozitronok a természetben

Úgy gondolják, hogy az ősrobbanás utáni első pillanatokban a pozitronok és elektronok száma az Univerzumban megközelítőleg azonos volt, de ez a szimmetria a lehűlés során megbomlott. Amíg az Univerzum hőmérséklete le nem esett 1 MeV-ra, a hőfotonok folyamatosan fenntartottak egy bizonyos pozitronkoncentrációt az anyagban elektron-pozitron párok létrehozásával (ilyen körülmények még mindig léteznek a forró csillagok mélyén). Miután az Univerzum anyagát a párképződési küszöb alá hűtötték, a megmaradt pozitronok elektronfelesleggel megsemmisültek.

A térben pozitronok születnek, amikor a kozmikus sugarak gamma-kvantumjai és energetikai részecskéi kölcsönhatásba lépnek az anyaggal , valamint e részecskék bizonyos típusainak (például pozitív müonok ) bomlása során. Így az elsődleges kozmikus sugarak egy része pozitron, mivel elektron hiányában stabilak. A Galaxis egyes régióiban 511 keV-os annihilációs gammavonalakat észleltek, ami pozitronok jelenlétét bizonyítja.

A szoláris termonukleáris pp-ciklusban (valamint a CNO-ciklusban ) a reakciók egy részét pozitron emisszió kíséri, amely azonnal megsemmisül a környező elektronok egyikével; így a napenergia egy része pozitronok formájában szabadul fel, és ezekből mindig van bizonyos mennyiség a Nap magjában (egyensúlyban a keletkezési és megsemmisülési folyamatok között).

Egyes természetben előforduló radioaktív magok (primordiális, radiogén, kozmogén) béta-bomlást kibocsátó pozitronokat tapasztalnak . Például a természetes 40 K izotóp bomlásának egy része pontosan ezen a csatornán keresztül megy végbe. Ezenkívül a radioaktív bomlásokból származó, 1,022 MeV-nál nagyobb energiájú gamma-kvantumok elektron-pozitron párokat hozhatnak létre.

Amikor egy elektron antineutrínó (1,8 MeV-nál nagyobb energiájú) és egy proton kölcsönhatásba lép egymással, fordított béta-bomlási reakció megy végbe pozitron képződésével: -természetes radioaktív atommagok bomlása.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ "Abszolút minimum". Fejezet a Michael Fire Glossary Electron című könyvből
  2. ↑ A csodálatos világ az atommagban Kérdések az előadás után . Letöltve: 2018. január 22. Az eredetiből archiválva : 2015. július 15.
  3. ↑ 1 2 3 4 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Archiválva : 2013. december 8., a Wayback Machine Fundamental Physical Constants - Teljes lista
  4. ↑ 6.9. Elemi részecskék (elérhetetlen link) . Letöltve: 2007. április 24. Az eredetiből archiválva : 2007. szeptember 28.. 
  5. ↑ KP Beuermann et al. Kozmikus sugarú Negatron és Pozitron spektruma 12 és 220 MeV között // Fizik. Fordulat. Lett.. - 1969. - Vol. 22. - P. 412-415. - doi : 10.1103/PhysRevLett.22.412 .
    H. Ejiri. A Negatron-bomlás és a Pozitron-bomlás log ft értékei közötti különbség a páratlan-páratlan magokról a páros magokra // J. Phys. szoc. Jpn.. - 1967. - Vol. 22. - P. 360-367. doi : 10.1143 / JPSJ.22.360 .
  6. ↑ JG Skibo, R. Ramaty . Elsődleges és másodlagos kozmikus sugárzás pozitronok és elektronok // 23. Nemzetközi Kozmikus Sugár Konferencia. - 1993. - 1. évf. 2. - P. 132-135. — Iránykód . : "A továbbiakban az elektron kifejezés pozitronokra és negatronokra vonatkozik."

Irodalom

 kvantumelektrodinamika
  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban