Позитрон (Від англ. positive - позитивний і «-трон») - Античастинка електрона. Відноситься до антиречовини, має електричний заряд +1, спін 1/2, лептонний заряд -1 і масу, рівну масі електрона. При анігіляції позитрона з електроном їх маса перетворюється в енергію у формі двох (і набагато рідше - трьох і більше) гамма-квантів.
Позитрони виникають в одному з видів радіоактивного розпаду (позитронна емісія), А також при взаємодії фотонів з енергією більше 1,022 МеВ з речовиною. Останній процес називається «народженням пар», бо при його здійсненні фотон, взаємодіючи з електромагнітним полем ядра, утворює одночасно електрон і позитрон.
Відкриття позитрона
Існування позитрона вперше було припущено в 1928 Полем Дираком. Теорія Дірака описувала не тільки електрон з негативним електричним зарядом, але і аналогічну частку з позитивним зарядом. Відсутність такої частки в природі розглядалося як вказівка на «зайві рішення» рівнянь Дірака. Зате відкриття позитрона стало тріумфом теорії.
У відповідності з теорією Дірака електрон і позитрон можуть народжуватися парою, і на цей процес має бути витрачена енергія, що дорівнює енергії спокою цих часток, 2-0,511 МеВ. Оскільки були відомі природні радіоактивні речовини, испускавшие gamma - кванти з енергією більше 1 МеВ, представлялося можливим отримати позитрони в лабораторії, що і було зроблено. Експериментальне порівняння властивостей позитронів і електронів показало, що всі фізичні характеристики цих частинок, крім знака електричного заряду, збігаються.
Позитрон був відкритий в 1932 м американським фізиком Андерсоном при спостереженні космічного випромінювання за допомогою камери Вільсона, вміщеній в магнітне поле. Назва «позитрон» придумав сам Андерсон. Цікаво, що Андерсон також пропонував, щоправда безуспішно, перейменувати електрони в «негатрони». Він сфотографував сліди частинок, які дуже нагадували сліди електронів, але мали вигин під дією магнітного поля, протилежний слідах електронів, що свідчило про позитивний електричному заряді виявлених часток. Незабаром після цього відкриття, також за допомогою камери Вільсона, були отримані фотографії, які проливали світло на походження позитронів: під дією gamma - квантів вторинного космічного випромінювання позитрони народжувалися в парах зі звичайними електронами. Такі властивості знову відкритої частинки виявилися у вражаючому згоді з вже наявної релятивістської теорією електрона Дірака. В 1934 м Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі у Франції відкрили ще одне джерело позитронів - beta-+-радіоактивність.
Позитрон виявився першою відкритою античастинкою. Існування античастинки електрона і відповідність сумарних властивостей двох античастинок висновків теорії Дірака, яка могла бути узагальнена на інші частинки, вказувало на можливість парної природи всіх елементарних частинок і орієнтувало наступні фізичні дослідження. Така орієнтація виявилася надзвичайно плідною, і в даний час парна природа елементарних частинок є точно встановленим законом природи, обґрунтованим великим числом експериментальних фактів.
Анігіляція
З теорії Дірака випливає, що електрон і позитрон при зіткненні повинні аннигилировать із звільненням енергії, рівної повної енергії частинок, що стикаються. Виявилося, що цей процес відбувається головним чином після гальмування позитрона в речовині, коли повна енергія двох частинок дорівнює їх енергії спокою 1,022 МеВ. На досвіді були зареєстровані пари gamma - квантів з енергією по 0,511 МеВ, що розліталися в прямо протилежних напрямках від мішені, опромінюють позитронами.
Необхідність виникнення при анігіляції електрона і позитрона не одного, а як мінімум двох gamma - квантів випливає із закону збереження імпульсу. Сумарний імпульс в системі центру мас позитрона і електрона до процесу перетворення дорівнює нулю, але якби при анігіляції виникав тільки один gamma - квант, він би ніс імпульс, який не дорівнює нулю в будь-якій системі відліку.
З 1951 м відомо, що в деяких аморфних тілах, рідинах і газах позитрон після гальмування в значній кількості випадків відразу не анігілює, а утворює на короткий час пов'язану з електроном систему, що одержала назву позитроній. Позитроній в сенсі своїх хімічних властивостей аналогічний атому водню, тому що являє собою систему, що складається з одиничних позитивного і негативного електричних зарядів, і може вступати в хімічні реакції. Оскільки електрон і позитрон - різні частинки, то у зв'язаному стані з найнижчою енергією вони можуть перебувати не тільки з антипаралельними, але і з паралельними спинами. У першому випадку повний спін позитронно s = 0, що відповідає парапозітроній, а в другому - s = 1, що відповідає ортопозітронію. Цікаво, що анігіляція електрон-позитронної пари в складі ортопозітронія не може супроводжуватися народженням двох gamma - квантів. Два gamma - кванта забирають один щодо одного механічні моменти, рівні 1, і можуть скласти повний момент, рівний нулю, але не одиниці. Тому анігіляція в цьому випадку супроводжується випусканням трьох gamma - квантів з сумарною енергією 1,022 МеВ. Освіта ортопозітронія в три рази більш ймовірно, ніж парапозітроній, так як відношення статистичних ваг (2s+1) обох станів позитронно 3: 1. Однак навіть в тілах з великим відсотком (до 50%) анігіляції пари у зв'язаному стані, т. Е. Після утворення позитронно, переважно з'являються два gamma - кванта і лише дуже рідко три. Справа в тому, що час життя парапозітроній близько 10-10 сек, а ортопозітронія - близько 10-7 сек. Довгоживучий ортопозітроній, безперервно взаємодіє з атомами середовища, не встигає аннигилировать з випусканням трьох gamma - квантів перш, ніж позитрон, що вводить до його складу, анігілює з стороннім електроном в стані з антипаралельними спинами і з випусканням двох gamma - квантів.
Виникаючі при анігіляції зупиненого позитрона два гамма-кванта несуть енергію по 511 кеВ і розлітаються в строго протилежних напрямках. Цей факт дозволяє встановити положення точки, в якій сталася анігіляція, і використовується в позитрон-емісійної томографії.
У 2007 експериментально доведено існування пов'язаної системи з двох позитронів і двох електронів (молекулярний позитроній). Така молекула розпадається ще швидше, ніж атомарний позитроній.
Позитрони в природі
Вважається, що в перші миті після Великого Вибуху кількість позитронів і електронів у Всесвіті було приблизно однаково, проте при охолодженні ця симетрія порушилася. Поки температура Всесвіті не знизилася до 1 МеВ, теплові фотони постійно підтримували в речовині певну концентрацію позитронів шляхом народження електрон-позитронного пар (такі умови існують і зараз в надрах гарячих зірок). Після охолодження речовини Всесвіту нижче порога народження пар залишилися позитрони аннигилировали з надлишком електронів.
У космосі позитрони народжуються при взаємодії з речовиною гамма-квантів і енергійних частинок космічних променів, а також при розпаді деяких типів цих частинок (наприклад, позитивних мюонів). Таким чином, частина первинних космічних променів складають позитрони, так як у відсутність електронів вони стабільні. У деяких областях Галактики виявлені анігіляційних гамма-лінії 511 кеВ, що доводять присутність позитронів.
У сонячному термоядерному pp-циклі (А також в CNO-циклі) частина реакцій супроводжується емісією позитрона, який негайно анігілює з одним з електронів окруженія- таким чином, частина сонячної енергії виділяється у вигляді позитронів, і в ядрі Сонця завжди присутній деякий їх кількість (в рівновазі між процесами освіти і анігіляції).
Деякі природні радіоактивні ядра (первинні, радіогенні, космогенні) відчувають бета-розпад з випромінюванням позитронів. Наприклад, частина розпадів природного ізотопу 40K відбувається саме по цьому каналу. Крім того, гамма-кванти з енергією більше 1,022 МеВ, що виникають при радіоактивних розпадах, можуть народжувати електрон-позитронного пари.
При взаємодії електронного антинейтрино (З енергією більше 1,8 МеВ) і протона відбувається реакція зворотного бета-розпаду з утворенням позитрона. Така реакція відбувається в природі, оскільки існує потік антинейтрино з енергією вище порога зворотного бета-розпаду, що виникають, наприклад, при бета-розпаді природних радіоактивних ядер.
Джерело та додаткова інформація:
- - Вікіпедія
- (.pdf)
- Климов А. Н. Ядерна фізика і ядерні реактори. -М. Атомиздат, 1971.
Додатково: