楼主:
asiatrans (asiatrans)
2014-10-30 14:21:59※ 引述《fleeaaa (天天)》之铭言：
: 把石头打开里面写着"卜"这个字
: ANS:石内卜
反电子的另一种?
A:正电子
正电子（又称阳电子、反电子、正子，英语：Positron），是电子的反粒子，即电子的对
应反物质。它带有+1单位电荷，+1.6×10-19C，自旋为1/2，质量与电子相同，皆为9.10
×10-31kg。
正电子与电子碰撞时会产生湮灭现象，这一过程遵守电荷守恒、能量守恒、动量守恒和角
动量守恒。在高能情况下，湮灭会生成其他基本粒子。在低能情况下，正负电子湮灭主要
生成两个或三个光子（有时也会生成更多光子）。另外，电子和正电子在湮灭之前有时会
形成亚稳定的束缚态，即正子电子偶。根据电子和正电子的不同自旋状态，正子电子偶分
为单态（1S0，总自旋为0）和三重态（3S1，总自旋为1）。在真空中，单态正子电子偶的
半衰期为125ps。三重态正子电子偶的半衰期为142ns。
当能量超过1.02兆电子伏特的光子经过原子核附近时（成对产生），或者在放射性元素的
正β衰变中（通过弱交互作用），都有可能产生正电子。
1930年英国物理学家保罗·狄拉克从理论上预言了正电子的存在，1932年美国物理学家卡
尔·戴维·安德森在宇宙射线中发现了正电子。
保罗·狄拉克于1928年发表了一份论文[2]，当中提出电子能够拥有正电荷及负电荷。在
这份论文中，狄拉克首次引进了狄拉克方程式，这条方程式统一了量子力学、狭义相对论
及电子自旋，而自旋当时还是一个很新的概念，用于解释塞曼效应。论文中狄拉克并没有
明确地预测新粒子的存在，但他允许电子可以用正能量或负能量作解。正能量解成功解释
了实验结果，但负能量解却令狄拉克相当困惑，因为在他的数学模型中负能量解跟正能量
解一样有效。在量子力学中是不能够无视负能量解的，这点就跟经典力学很不一样；双重
解意味着电子有可能会在正负能量态间自发跳跃。然而，实验并没有观测到这样的跃迁。
狄拉克把这个理论与观测间的冲突称为“未解决的难题”。
狄拉克于1929年十二月撰写了一份后续论文，尝试解释相对论性电子那无可避免的负能量
解[3]。他的论点是“……在外加（电磁）场中的负电荷粒子会像正电荷粒子那样移动”
。他继续论述说所有空间都可被视为充满负能量态的“海”，因此这样就阻止了电子在正
能量态（负电荷）与负能量态（正电荷）间的跃迁。论文同时探讨了质子是这种海中的岛
的可能性，及这种岛其实是负电荷电子的可能性。狄拉克承认，质子与电子的巨大质量差
是一个难题，但同时表示将来的理论“有希望”解决这个问题。
对于狄拉克使用质子作为电子的负能量解，罗伯特·奥本海默表示强烈反对。他断言如果
这是真的，那么氢原子就会瞬间自爆[4]。被奥本海默的论点说服，于是狄拉克在1931年
发表了一篇论文，他在文中预测出一种未被发现的粒子，他叫这种粒子“反电子”，它的
质量与电子一样，并且与电子接触时会互相湮灭[5]。
理察·费曼及在他之前的厄恩斯特·斯蒂克尔堡，提出了一种对狄拉克方程式负能量解的
诠释，就是正电子是逆时间而行的电子[6]。逆时间而行的电子，其电荷为正电荷。约翰
·惠勒援引这个概念，来解释所有电子都共有的性质，同时指出在有自交互作用的复世界
线上，“它们都是一样的电子”[7]。后来，南部阳一郎将这样的一套理论，应用于所有
物质－反物质对的创生与湮灭，还说明了“平常所见成对的最终创生与湮灭，并不是创生
与湮灭，而是移动中的粒子改变方向而已，从过去到将来，又或是从将来到过去”[8]。
现时物理学家已经接受了逆时间观点，与其他绘景等价，但这个诠释却没有宏观的“因果
”，因为微观物理描述并没有因果。
德米特里·斯科别利岑（Dmitri Skobeltsyn）最早于1929年观测到正电子[9][10]。在尝
试用威尔逊云室[11]来侦测宇宙射线中伽马辐射的时候，斯科别利岑探测到一种行动像电
子的粒子，但它在磁场中的弯曲方向与电子相反[10]。
同样地，加州理工学院的一名研究生赵忠尧在1929年也注意到类似的实验结果，显示有一
种性质像电子的粒子，但其电荷为正，不过由于实验结果并非决定性，所以赵忠尧并没有
继续追查这个现象[12]。
卡尔·D·安德森于1932年8月2日发现正电子[13]，亦因此于1936年获颁诺贝尔物理学奖
[14]。“正电子”（positron）一词是由安德森所创的。正电子是第一种被发现的反物质
，因此当时成了反物质存在的证据。在发现时，安德森让宇宙射线通过云室及铅片。仪器
被磁铁包围，而这些磁铁使不同电荷的粒子向不同的方向弯曲。每一粒通过照相底片的正
电子，都会有一条离子轨迹，其曲率对应电子的质荷比，但轨迹方向与电子相反，意味着
它的电荷也与电子相反。
后来安德森在忆述往事时写道，假若之前赵忠尧的研究有后续的话，那么正电子在那个时
候就会被发现了[12]。在安德森公布发现正电子的时候，巴黎的弗雷德里克·约里奥-居
礼与伊雷娜·约里奥-居礼夫妇已经持有有正电子轨迹的老照片，不过他们当时认为那轨
是属于质子的，因此不予理会。
应用[编辑]
某些粒子加速器实验需要使正电子与电子在相对论性速度下对撞。高撞击能量与这些物质
─反物质湮灭，能生成一整束各种各样的次原子粒子。物理学家就是通过研究这些碰撞，
来测试理论预测及寻找新的粒子。
放射性核素（示踪物）所发射的正电子与生物体内电子湮灭所产生的伽马射线，可用正电
子发射计算机断层扫描（PET）来探测。PET扫描器能做出详细的三维图像，显示人体的新
陈代谢[17]。
材料研究中有一种工具叫正电子湮灭能谱（Positron Annihilation Spectroscopy, PAS
），用于侦测固体材料中的密度差异、缺陷、位移或甚至空隙[18] 。
注释[编辑]