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反电子

反电子,又称阳电子、正电子、正子,基本粒子的一种,带正电荷,质量和电子相等,是电子的反粒子。最早是由狄拉克从理论上预言的。1932年8月2日,美国加州理工学院的安德森等人向全世界庄严宣告,他们发现了正电子(此前已被中国的赵忠尧发现)。正电子的发现是利用云雾室来观测的。在云雾室中充入过饱和的乙醚气,当物质放射出正电子时,正电子穿过云雾室,在正电子运行轨道中出现液滴线,通过外加磁场测量正电子的偏转方向及半径就可以知道它的带电符号,及荷质比(带电量与质量的比值)从而确定正电子的性质。正电子的发现开辟了反物质领域的研究。

根据基本粒子的分类,反电子是轻子,它的自旋为1/2,遵守费米狄拉克统计,参加电磁相互作用、弱相互作用和万有引力作用,但不参加强相互作用。因此反电子和电子的基本物理性质如下表所示。

反电子是反物质,遇电子会发生湮没,因此它不天然存在,往往用人工办法产生。一种方法是通过加速器或反应堆,利用核反应生成缺中子放射源,如22Na,64Cu,58Co等等。另外是通过高能光子的电子对效应产生反电子。如利用高能电子直线加速器产生的电子打在W靶上,当高能电子产生的韧致辐射能量大于1.022 MeV,即正、负电子静止质量之和时,可以产生一对电子和反电子。当然,为了能量守恒.该反应必须在原子核附近进行,它用来吸收了射线的反冲动量。下图为利用高能电子产生的韧致辐射来产生反电子的原理图。 [2]

J.J.汤姆森在1897年发现了第一个基本粒子-电子,电子是负电子的通俗简称,并于1906年获得诺贝尔物理奖。当时人们凭着一般的认识,负电子应当有其对应物-带正电荷的电子存在,而且在那时德国先后有几位物理学家一直在寻找与阴极射线相对应的阳极射线,但是都没有得到希望的结果。J.J.汤姆森发现负电子之后几年,就试图通过阳极射线发现反电子,甚至将善于做实验的阿斯顿(F.W.Aston)从伯明翰大学调来,帮助他做有关的实验仪器和实验,大约从1903年起花了10年的时间,除去F.W.阿斯顿在这个过程中摸索到制作质谱仪以检测各种元素的同位素之外,未得到什么结果。

卢瑟福甚至在1914年发表的几次讲演“原子结构与元素的演化中,都只有把原子核看成氢原子核和电子组成的,把氢原子核(即后来说的质子)称为反电子,虽然它的质量约为电子的1800多倍,并把电子和氢原子核看作组成一切元素的最基本粒子。但是,随着他发现人工氮原子核分裂之后,在深入研究原子核的过程中,特别在研究氢和氦具有同位素及其原子结构的过程中,越来越感到质子不能看成正电的基本单位,而且它与负电子并不是对应物。1922年5月,他在电气工程学会做的第13次开尔文讲演《电和物质》中,改变了想法,提出反电子应当是负电子的对应物,而不是质子,其质量应与负电子相同。然而到那时却未找到它存在的起码证据,但是可以认为比氢原子核小得多的质量对应的正电单位是可能发现的,因而预言了反电子。

1928年著名理论物理学家R.H.否勒(R.H.Fowler)的研究生P.A.M.狄拉克(P.A.M.Dirac)发表的相对论性量子力学的论文中,提出了与负电子对应的“空穴”的理论,他说的所谓空穴就是反电子,由于他们的办公室设在卡文迪什实验室边上,R.H.否勒又是卢瑟福的女婿,所以他们与该室的实验配合进行合作研究,自然知道反电子的预言。关于它与卢瑟福预言的反电子的关系,有两种说法,一种认为二者无关,是纯理论推导的结果。一种认为那是他在卡文迪什实验室受到卢瑟福预言反电子的启示,才在理论上表现出来的。也有不少人认为正是P.A.M.狄拉克的“空穴”才启发了美国物理学家c.D.安德森在研究宇宙射线时发现了反电子。在193l

1932年,他在加州理工学院做研究生时,在R.A.密里根指导下研究宇宙射线。我国著名物理学家赵忠尧先生在1930年也在该校做R.A.密里根的研究生,但比C.D.安德森高一年级,他用统计方法发现了Y射线的反常散射现象,由于当时尚未发现电子,所以他不了解实际上这就是后来人们了解的正负电子对的湮没现象。与他邻屋工作的C.D.安德森有时到他的屋中看他做实验,从中受到启发,用云室检查宇宙线组成,从中意外地发现了反电子。因此他1981年发表的《回顾图书与指南》一文中说,赵忠尧发现的γ射线被吸收和反常散射现象的结果使他大感兴趣,决心制造一台可在磁场中操作的云室,以研究γ射线产生的次级电子。这个说法的根据是反电子和负电子相遇会中和而湮没并释放出带较大能量的一种电磁波,即7射线。反之,7射线在吸收一定的能量条件下会变成反电子和负电子,并且可用云室检测出来。

几乎与C.D.安德森同时,卡文迪什实验室的P.M.S.布莱克特也像J.查德威克一样,按照卢瑟福的上述预言寻找反电子的踪迹,按照狄拉克的说法与空穴理论无关。那时,他在卢瑟福指导下,用盖革计数器与云室相连,形成符合电路的计数器自动控制云室操作,当将它放在强电磁场中并使宇宙射线通入时,发现宇宙射线粒子的径迹偏斜,并将之拍照下来,在1932年8月21日发现了叮射线衰变成的正负电子对。到次年2月初,他证实了与负电子而不是与质子的质量相一致的带正电粒子的存在。卢瑟福在1933年2月7日正式通知皇家学会,P.M.S.布莱克特的论文《穿透性径迹的拍照》不久在《皇家学会议事录》上发表。显然,C.D.安德森和P.M.S.布莱克特完全是在彼此无关的情况下独立发现反电子的,而且C.D.安德森在1981年10月发表的上述回忆文章的收尾处,还特别注明他的论文准备印刷时,他得到报告说P.M.S.布莱克特等已经取得反电子存在的证据。据有的史料记载,在P.M.S.布莱克特等取得反电子存在的初步结果时,卢瑟福让他们不要急于发表,要仔细检查一下,使之稳妥可靠,因而贻误了时问,以致后来获得诺贝尔物理奖时,C.D.安德森被作为发现者,而P.M.S.布莱克特则被看作验证者,尽管两者都与预言的作用有关。但是P.M.S.布莱克特的工作却是按卢瑟福的预言有意识地用卢瑟福的方法和研究路线作出的,反电子的发现再次证实了卢瑟福的深邃洞察力和指导科学研究的突出才能。 [3]

在T=5×109K的温度下光子可以较高程度的反应生成正负电子对,体系热平衡时反电子数量和光子数量大致相等。

恒星们主要的核反应就会释放出反电子,比如我们的太阳,其中每时每刻都在发生如下反应:四个质子聚合成1个氦核,同时释放出两个电子中微子和两个反电子。

比如放射性同位素磷30就会通过正β衰变释放反电子。

利用能量高于1兆电子伏的γ射线辐射铅板、薄金属箔、气态媒质等都有可能观察到反电子的出现。

反电子发射断层成像(PositronEmissionTomography)系统是利用反电子同位素衰变产生出的反电子与人体内负电子发生湮灭效应这一现象,通过向人体内注射带有反电子同位素标记的化合物,采用符合探测的方法,探测湮灭效应所产生的γ光子,得到人体内同位素的分布信息,由计算机进行重建组合运算,从而得到人体内标记化合物分布的三维断层图像。

PET是直接对脑功能造影的技术,其基本原理是:给被试注射含放射性同位素的示踪物,同位素放出的反电子,与脑内的负电子发生湮灭而释放出γ-射线。通过记录γ-射线在大脑中的位置分布,可以测量区域脑代谢率(rCMR)和区域脑血流(rCBF)的改变,以此反映大脑的功能活动变化。

PET可用于精神分裂症、抑郁症、毒品成瘾症等的鉴别诊断、了解患者脑代谢情况及功能状态,如精神分裂症患者额叶、颞叶、海马基底神经节功能异常等。应用PET显像,可以测定脑内多巴胺等多种受体,从分子的水平上揭示了疾病的本质。这是其他方法所不能比拟的。

PET的局限性:成像时间较长(至少要几十秒),只能采用区组设计(Blockdesign)的实验模式;成像时受放射性同位素的限制,不适用于单个被试的重复研究。同一被试不宜频繁参加实验,不利于那些需要被试多次参加实验的研究;系统造价很高,除PET扫描机外,一般还需配备一台加速器,用以制备半衰期只有123s的15O等同位素。 [4]


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