正電子應(yīng)用

我們知道，每一種物質(zhì)都存在飽和蒸汽壓，當(dāng)外界壓強(qiáng)大于該物質(zhì)的飽和蒸汽壓時(shí)，這種物質(zhì)的蒸汽就開(kāi)始凝結(jié)成液滴。但是如果蒸汽很純凈，這時(shí)即使外界壓強(qiáng)超過(guò)了它的飽和蒸汽壓，蒸汽卻不會(huì)自動(dòng)凝結(jié)，這就成了過(guò)飽和氣體。如果這時(shí)在過(guò)飽和氣體中加上一個(gè)很小的擾動(dòng)，如帶電粒子的存在或其它雜質(zhì)的存在，氣體就會(huì)以這個(gè)雜質(zhì)為核心迅速凝結(jié)成小液滴。因此當(dāng)帶電粒子在過(guò)飽和蒸汽中飛行時(shí)，蒸汽就會(huì)沿著粒子飛行的徑跡凝結(jié)，從而我們通過(guò)觀測(cè)這些液滴的軌跡，就可以知道粒子的運(yùn)動(dòng)情況，這就是云霧室，是由著名物理學(xué)家威爾遜發(fā)明的,因此又名威爾遜云室。

正電子(Positron,e+)，又稱(chēng)陽(yáng)電子

正電子是電子的反粒子，除帶正電荷外，其它性質(zhì)與電子相同。正電子是不穩(wěn)定粒子，遇到電子會(huì)與之發(fā)生湮滅(Annihilation)，放出兩個(gè)伽瑪光子(gamma ray photon)，每個(gè)能量為0.511MeV 。當(dāng)正電子與原子核接觸時(shí)，就會(huì)與核外電子發(fā)生湮滅，這就是正電子炮的原理。正電子不是地球上物質(zhì)的基本成分。正電子雖然比較穩(wěn)定,但一碰到電子就會(huì)很快湮滅而轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾?所以不容易觀測(cè)到。 正電子的發(fā)現(xiàn)使人聯(lián)想到是否存在反質(zhì)子,反中子......,已經(jīng)證實(shí)每種粒子都存在一種和它對(duì)應(yīng)的反粒子。

有人設(shè)想,用反粒子制造反物質(zhì)(例如反氫原子),上述粒子的獲得,是向制造反氫原子邁進(jìn)的很大的一步.物質(zhì)和反物質(zhì)的結(jié)合中(湮滅中),可釋放大量的能量(比核能高幾個(gè)數(shù)量級(jí)),未來(lái)宇宙飛船有可能攜帶某種物質(zhì)和這種物質(zhì)的反物質(zhì)作為能源。

若要實(shí)現(xiàn)人類(lèi)載人火星探索的偉大夢(mèng)想，我們需要數(shù)噸化學(xué)燃料，相反，若使用反物質(zhì)，則僅需數(shù)十毫克，理論速度極限可達(dá)光速的十分之一。然而，事實(shí)上，這種動(dòng)力的誕生也伴隨著代價(jià)。有些反物質(zhì)的反應(yīng)會(huì)生成大量高能伽馬射線。伽馬射線能分解細(xì)胞內(nèi)分子，因此，它們會(huì)對(duì)人體有害。另外，高能伽馬射線由于會(huì)使制造發(fā)動(dòng)機(jī)材料的原子破裂，會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)本身也具有放射性。

正電子雖然有了理論預(yù)言，但在實(shí)驗(yàn)上還未發(fā)現(xiàn)。19世紀(jì)30年代的科學(xué)界不輕易承認(rèn)新粒子的存在。而是認(rèn)為帶正電的粒子只有質(zhì)子，所以有人認(rèn)為狄拉克方程中所出現(xiàn)的帶正電的粒子很可能就是質(zhì)子，不然為什么在實(shí)驗(yàn)上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)呢?這個(gè)想法包括狄拉克本人也曾有過(guò)。

時(shí)隔不久，1932年狄拉克的預(yù)言很快被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了，那是美國(guó)物理學(xué)家安德森(1905-1991)在研究宇宙射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，他正同密立根(基本電荷的測(cè)定者)一起研究宇宙線是電磁輻射還是粒子的問(wèn)題。那時(shí)大多數(shù)人同意康普頓的論證，認(rèn)為宇宙射線是帶電粒子，密立根對(duì)此很不滿意。安德森于是想弄清楚進(jìn)入云室的宇宙射線在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下會(huì)不會(huì)轉(zhuǎn)彎。他在云室中拍攝了一張照片，這張照片使他一夜沒(méi)合眼。他發(fā)現(xiàn)，宇宙射線進(jìn)入云室穿過(guò)鉛板后，軌跡確實(shí)發(fā)生了彎曲，而且，在高能宇宙射線穿過(guò)鉛板時(shí)，有一個(gè)粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣，但是彎曲的方向卻"錯(cuò)"了。這就是說(shuō)，這種前所未知的粒子與電子的質(zhì)量相同，但電荷卻相反，而這恰好是狄拉克所預(yù)言的正電子。當(dāng)時(shí)安德森并不知道狄拉克的預(yù)言，他把所發(fā)現(xiàn)的粒子叫做"正電子"。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產(chǎn)生了正電子，從而從實(shí)驗(yàn)上完全證實(shí)了正電子的存在。從此以后，正電子便正式列入了基本粒子的行列。

趙忠堯是第一個(gè)觀測(cè)到正反物質(zhì)湮滅的人，也是物理學(xué)史上第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)的物理學(xué)家。這個(gè)發(fā)現(xiàn)足以使趙忠堯獲得諾貝爾獎(jiǎng)，當(dāng)時(shí)瑞典皇家學(xué)會(huì)也曾鄭重考慮過(guò)授予他諾貝爾獎(jiǎng)。不幸的是，有一位在德國(guó)工作的物理學(xué)家對(duì)趙忠堯的成果提出了疑問(wèn)，雖然后來(lái)事實(shí)證明趙忠堯的結(jié)果是完全準(zhǔn)確的，錯(cuò)誤的是提出疑問(wèn)的科學(xué)家，但這卻影響了趙忠堯的成果被進(jìn)一步確認(rèn)。1936年，為了表彰正電子的發(fā)現(xiàn)這一重要成就，瑞典皇家科學(xué)院把諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了1932年在云霧室中觀測(cè)到正電子徑跡的安德遜，而不是1930年首先發(fā)現(xiàn)了正負(fù)電子湮滅的趙忠堯。(安德遜也承認(rèn)，當(dāng)他的同學(xué)趙忠堯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)的時(shí)候，他正在趙忠堯的隔壁辦公室，當(dāng)時(shí)他就意識(shí)到趙忠堯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明存在著一種人們尚未知道的新物質(zhì)，他的研究是受趙忠堯的啟發(fā)才做的。)當(dāng)然，后來(lái)，作為正電子的發(fā)現(xiàn)者被證明(在趙老逝世前一年，終于可以告慰世人和趙老英魂)。

電子對(duì)的產(chǎn)生及湮滅使人們對(duì)基本粒子的認(rèn)識(shí)發(fā)生了重大的變化，人們不得不重新考慮究竟什么是基本粒子問(wèn)題。本來(lái)基本粒子意味著這些粒子是構(gòu)成物質(zhì)最基本的、不可再分的單元，象電子這樣的基本粒子既不能產(chǎn)生，也不會(huì)消滅。然而，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)?shù)臈l件下，正、負(fù)電子對(duì)可以成對(duì)地產(chǎn)生或湮滅，也就是說(shuō)可以相互轉(zhuǎn)化。物質(zhì)的各種形態(tài)可以相互轉(zhuǎn)變，這在認(rèn)識(shí)上無(wú)疑是個(gè)巨大的飛躍。在這以后又發(fā)現(xiàn)了更多的反粒子，因而更多的事實(shí)反復(fù)證實(shí)了這一規(guī)律。

1936年，安德森因發(fā)現(xiàn)正電子而獲得了該年度的諾貝爾物理獎(jiǎng)，時(shí)年僅為31歲。

在T=5*10^9K的溫度下光子可以較高程度的反應(yīng)生成正負(fù)電子對(duì)，體系熱平衡時(shí)正電子數(shù)量和光子數(shù)量大致相等。

恒星們主要的核反應(yīng)就會(huì)釋放出正電子，比如我們的太陽(yáng)，其中每時(shí)每刻都在發(fā)生如下反應(yīng):四個(gè)質(zhì)子聚合成1個(gè)氦核，同時(shí)釋放出兩個(gè)電子中微子和兩個(gè)正電子。

比如放射性同位素磷30就會(huì)通過(guò)正β衰變釋放正電子。

利用能量高于1兆電子伏的γ射線輻射鉛板、薄金屬箔、氣態(tài)媒質(zhì)等都有可能觀察到正電子的出現(xiàn)。

正電子發(fā)射斷層成像(PositronEmissionTomography)系統(tǒng)是利用正電子同位素衰變產(chǎn)生出的正電子與人體內(nèi)負(fù)電子發(fā)生湮滅效應(yīng)這一現(xiàn)象，通過(guò)向人體內(nèi)注射帶有正電子同位素標(biāo)記的化合物，采用符合探測(cè)的方法，探測(cè)湮滅效應(yīng)所產(chǎn)生的γ光子，得到人體內(nèi)同位素的分布信息，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行重建組合運(yùn)算，從而得到人體內(nèi)標(biāo)記化合物分布的三維斷層圖像。

PET是直接對(duì)腦功能造影的技術(shù)，其基本原理是:給被試注射含放射性同位素的示蹤物，同位素放出的正電子，與腦內(nèi)的負(fù)電子發(fā)生湮滅而釋放出γ-射線。通過(guò)記錄γ-射線在大腦中的位置分布，可以測(cè)量區(qū)域腦代謝率(rCMR)和區(qū)域腦血流(rCBF)的改變，以此反映大腦的功能活動(dòng)變化。

PET可用于精神分裂癥、抑郁癥、毒品成癮癥等的鑒別診斷、了解患者腦代謝情況及功能狀態(tài)，如精神分裂癥患者額葉、顳葉、海馬基底神經(jīng)節(jié)功能異常等。應(yīng)用PET顯像，可以測(cè)定腦內(nèi)多巴胺等多種受體，從分子的水平上揭示了疾病的本質(zhì)。這是其他方法所不能比擬的。

PET的局限性:成像時(shí)間較長(zhǎng)(至少要幾十秒)，只能采用區(qū)組設(shè)計(jì)(Blockdesign)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?成像時(shí)受放射性同位素的限制，不適用于單個(gè)被試的重復(fù)研究。同一被試不宜頻繁參加實(shí)驗(yàn)，不利于那些需要被試多次參加實(shí)驗(yàn)的研究;系統(tǒng)造價(jià)很高，除PET掃描機(jī)外，一般還需配備一臺(tái)加速器，用以制備半衰期只有123s的15O等同位素。

1928年狄拉克把相對(duì)論引進(jìn)了量子力學(xué)，建立了相對(duì)論形式的薛定諤方程，也就是著名的狄拉克方程。這一方程具有兩個(gè)特點(diǎn):一是滿足相對(duì)論的所有要求，適用于運(yùn)動(dòng)速度無(wú)論多快電子;二是它能自動(dòng)地導(dǎo)出電子有自旋的結(jié)論。這一方程的解很特別，既包括正能態(tài)，也包括負(fù)能態(tài)。狄拉克由此做出了存在正電子的預(yù)言，認(rèn)為正電子是電子的一個(gè)鏡像，它們具有嚴(yán)格相同的質(zhì)量，但是電荷符號(hào)相反。狄拉克根據(jù)這個(gè)圖象，還預(yù)料存在著一個(gè)電子和一個(gè)正電子互相湮滅放出光子的過(guò)程;相反，這個(gè)過(guò)程的逆過(guò)程，就是兩個(gè)光子湮滅產(chǎn)生出一個(gè)電子和一個(gè)正電子的過(guò)程也是可能存在的。1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森(1923-)在研究宇宙射線簇射中高能電子徑跡的時(shí)候，奇怪地發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)中有一半電子向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，另一半向相反方向偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)辨認(rèn)，這就是狄拉克預(yù)言的正電子。后來(lái)很快又發(fā)現(xiàn)了γ射線產(chǎn)生電子對(duì)，正、負(fù)電子碰撞"湮滅"成光子等現(xiàn)象，全面印證了狄拉克預(yù)言的正確性。狄拉克的工作，開(kāi)創(chuàng)了反粒子和反物質(zhì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。正電子就這樣從理論上被推導(dǎo)了出來(lái)。