Pozytron

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Pozyton ( )
PositronDiscovery.jpg
Kompozycja cząstka fundamentalna [1]
Rodzina Fermion
Grupa Lepton
Pokolenie pierwszy
Uczestniczy w interakcjach grawitacyjne [2] , słabe i elektromagnetyczne
Antycząstka Elektron
Waga

9.10938356 (11) ⋅10 -31 kg [3] ,
0,5109989461 (31) MeV [3] ,

5.48579909070 (16) ⋅10 -4 amu [3]
Dożywotni
Uzasadnione teoretycznie P. Diraca (1928)
Odkryty CD Anderson (1932)
Liczby kwantowe
Ładunek elektryczny +1 e
+1 6021766208 (98) ⋅10 -19 C [3]
Liczba barionowa 0
Liczba Leptona -1
B − L +1
Kręcić się 1/2 ħ
Moment magnetyczny +9,274009994 (57) ⋅10 -24 J / T
Parytet wewnętrzny -1
Spin izotopowy 0
Trzeci składnik słabej izospiny +1/2 (właściwa chiralność ),
0 (lewa chiralność)
Słaby hypercharge +1 (właściwa chiralność ),
+2 (lewa chiralność)
Logo Wikimedia Commons Pliki multimedialne w Wikimedia Commons

Pozytronowej (od angielskiego POZYC ive „pozytywne” + elekt ron „elektronów”) jest antycząstka w elektrony . Odnosi się do antymaterii , ma ładunek elektryczny +1, spin 1/2, ładunek leptonowy -1 i masę równą masie elektronu. Podczas anihilacji pozytonu z elektronem jego masa zamieniana jest na energię w postaci dwóch (a znacznie rzadziej trzech lub więcej) kwantów gamma .

Pozytrony powstają w jednym z rodzajów rozpadu promieniotwórczego ( emisja pozytonów ), a także w interakcji fotonów , których energia przekracza 1,022 MeV, z materią . Ten ostatni proces nazywa się „ produkcją pary ”, ponieważ podczas jego realizacji foton, oddziałując z polem elektromagnetycznym jądra , tworzy jednocześnie elektron i pozyton. Również pozytony mogą powstawać w procesach tworzenia par elektron-pozyton w silnym polu elektrycznym .

Otwarcie

Istnienie pozytonu po raz pierwszy zasugerował w 1928 roku [4] Paul Dirac . Teoria Diraca opisywała nie tylko elektron o ujemnym ładunku elektrycznym , ale także podobną cząstkę o ładunku dodatnim. Brak takiej cząstki w przyrodzie uznano za wskazanie „dodatkowych rozwiązań” równań Diraca. Ale odkrycie pozytonu było triumfem teorii.

Zgodnie z teorią Diraca, elektron i pozyton mogą powstawać jako para, a proces ten musi zużywać energię równą energii spoczynkowej tych cząstek, 2 × 0,511 MeV . Ponieważ znane były naturalne substancje promieniotwórcze emitujące kwanty γ o energiach większych niż 1 MeV , wydawało się możliwe uzyskanie pozytonów w laboratorium, co zostało zrobione. Eksperymentalne porównanie właściwości pozytonów i elektronów wykazało, że wszystkie cechy fizyczne tych cząstek, z wyjątkiem znaku ładunku elektrycznego, są zbieżne.

Pozyton został odkryty w 1932 roku przez amerykańskiego fizyka Andersona podczas obserwacji promieniowania kosmicznego za pomocą kamery Wilsona umieszczonej w polu magnetycznym . Sfotografował tory cząstek, które bardzo przypominały tory elektronów, ale zostały wygięte przez pole magnetyczne przeciwne do torów elektronów, co wskazuje na dodatni ładunek elektryczny wykrytych cząstek. Niedługo po tym odkryciu, również za pomocą aparatu Wilsona, uzyskano zdjęcia, które rzuciły światło na pochodzenie pozytonów: pod działaniem kwantów γ z wtórnego promieniowania kosmicznego pozytony rodziły się w parach ze zwykłymi elektronami. Takie właściwości nowo odkrytej cząstki okazały się być uderzająco zgodne z istniejącą już relatywistyczną teorią elektronu Diraca. W 1934 Irene i Frederic Joliot-Curie we Francji odkryli kolejne źródło pozytonów - radioaktywność β + .

Nazwa „pozyton” została wymyślona przez samego Andersona. Anderson zaproponował również zmianę nazwy elektronów na „negatrony”; termin ten w odniesieniu do elektronów jest nadal używany w przypadkach, gdy elektrony i pozytony rozpatrywane są razem [5] ; w tych przypadkach termin „elektron” często odnosi się zarówno do cząstek – elektronu (negatron) jak i pozytonu [6] .

Pozyton był pierwszą odkrytą antycząstką . Istnienie antycząstki elektronu i zgodność sumarycznych właściwości obu antycząstek z wnioskami teorii Diraca, które można uogólnić na inne cząstki, wskazywały na możliwość sparowania wszystkich cząstek elementarnych i kierowały późniejszymi badaniami fizycznymi . Orientacja ta okazała się niezwykle owocna i obecnie sparowana natura cząstek elementarnych jest ściśle ustalonym prawem natury, popartym dużą liczbą faktów doświadczalnych.

Unicestwienie

Struktura pozytonu. Elektron i pozyton krążą wokół wspólnego środka masy .

Z teorii Diraca wynika, że ​​elektron i pozyton w zderzeniu powinny ulec anihilacji z uwolnieniem energii równej całkowitej energii zderzających się cząstek. Okazało się, że proces ten zachodzi głównie po wyhamowaniu pozytonu w substancji, gdy całkowita energia obu cząstek jest równa ich energii spoczynkowej 1,0221 MeV. W eksperymencie zarejestrowano pary kwantów γ o energii 0,511 MeV, lecące w przeciwnych kierunkach od celu, napromieniowane pozytonami. Konieczność pojawienia się nie jednego, ale co najmniej dwóch kwantów γ podczas anihilacji elektronu i pozytonu wynika z prawa zachowania pędu . Całkowity pęd w układzie środka masy pozytonu i elektronu przed procesem transformacji jest równy zero, ale gdyby podczas anihilacji pojawił się tylko jeden kwant γ, uniósłby pęd, który nie jest równy zeru w dowolnym układzie odniesienia .

Od 1951 roku wiadomo, że w niektórych ciałach amorficznych , cieczach i gazach, pozyton po hamowaniu w znacznej liczbie przypadków nie ulega natychmiastowej anihilacji, lecz tworzy na krótki czas układ związany z elektronem, zwany pozytronium . Pozytron w sensie swoich właściwości chemicznych jest podobny do atomu wodoru , ponieważ jest to układ składający się z pojedynczych dodatnich i ujemnych ładunków elektrycznych i może wchodzić w reakcje chemiczne . Ponieważ elektron i pozyton są różnymi cząstkami, mogą znajdować się w stanie związanym o najniższej energii nie tylko przy spinach antyrównoległych, ale również przy spinach równoległych. W pierwszym przypadku całkowity spin pozytronium wynosi s = 0, co odpowiada parapositronium , a w drugim s = 1, co odpowiada ortopositronium . Co ciekawe, anihilacji pary elektron-pozyton w składzie ortopozytronium nie może towarzyszyć produkcja dwóch kwantów γ. Dwa kwanty gamma przenoszą względem siebie momenty mechaniczne równe 1 i mogą tworzyć całkowity moment równy zero, ale nie jeden. Dlatego anihilacji w tym przypadku towarzyszy emisja trzech kwantów γ o łącznej energii 1,022 MeV. Powstawanie ortopositronium jest trzykrotnie bardziej prawdopodobne niż parapositronium, ponieważ stosunek wag statystycznych (2 s +1) obu stanów pozytronium wynosi 3:1. Jednak nawet w ciałach z dużym procentem (do 50%) anihilacji par w stanie związanym, czyli po utworzeniu pozytronium, pojawiają się przeważnie dwa kwanty γ, a bardzo rzadko trzy. Chodzi o to, że czas życia parapositronium wynosi około 10 -10 sekund, a z orthopositronium około 10 -7 s. Długożyciowe ortopozytronium, stale oddziałując z atomami ośrodka, nie ma czasu na anihilację z emisją trzech kwantów γ, zanim pozyton w swoim składzie anihiluje z obcym elektronem w stanie z antyrównoległymi spinami i emisją dwóch kwantów γ.

Dwa kwanty gamma powstające podczas anihilacji zatrzymanego pozytonu niosą energię 511 keV i rozpraszają się w ściśle przeciwnych kierunkach. Fakt ten umożliwia ustalenie położenia punktu, w którym nastąpiła anihilacja i jest wykorzystywany w pozytonowej tomografii emisyjnej .

W 2007 roku eksperymentalnie udowodniono istnienie związanego układu dwóch pozytonów i dwóch elektronów ( molekularny pozyton ). Taka cząsteczka rozpada się nawet szybciej niż atomowy pozyton.

Pozytony w przyrodzie

Uważa się, że w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu liczba pozytonów i elektronów we Wszechświecie była w przybliżeniu taka sama, ale ta symetria została złamana podczas chłodzenia. Dopóki temperatura Wszechświata nie spadła do 1 MeV, fotony termiczne stale utrzymywały pewną koncentrację pozytonów w materii, tworząc pary elektron-pozyton (takie warunki istnieją nawet teraz w trzewiach gorących gwiazd). Po schłodzeniu materii Wszechświata poniżej progu produkcji par, pozostałe pozytony anihilowały nadmiarem elektronów.

W kosmosie pozytony rodzą się w interakcji z materią kwantów gamma i energetycznych cząstek promieniowania kosmicznego , a także w rozpadzie niektórych typów tych cząstek (np. dodatnich mionów ). Tak więc niektóre z pierwotnych promieni kosmicznych są pozytonami, ponieważ są stabilne pod nieobecność elektronów. W niektórych rejonach Galaktyki odkryto linie gamma anihilacji o energii 511 keV, co dowodzi obecności pozytonów.

W słonecznym termojądrowym cyklu pp (a także w cyklu CNO ) niektórym reakcjom towarzyszy emisja pozytonu, który natychmiast anihiluje z jednym z elektronów otoczenia; w ten sposób część energii słonecznej jest uwalniana w postaci pozytonów, a pewna ich ilość jest zawsze obecna w jądrze Słońca (w równowadze między procesami powstawania i anihilacji).

Niektóre naturalne jądra promieniotwórcze (pierwotne, radiogenne, kosmogeniczne) ulegają rozpadowi beta z emisją pozytonów . Na przykład część rozpadów naturalnego izotopu 40 K zachodzi właśnie przez ten kanał. Ponadto kwanty gamma o energiach powyżej 1,022 MeV, powstające z rozpadów promieniotwórczych, mogą powodować powstawanie par elektron-pozyton.

W interakcji antyneutrina elektronowego (o energii powyżej 1,8 MeV) i protonu zachodzi reakcja odwrotnego rozpadu beta z utworzeniem pozytonu: Taka reakcja zachodzi w przyrodzie, ponieważ występuje strumień antyneutrin o energiach powyżej progu odwrotnego rozpadu beta, powstający np. podczas rozpadu beta naturalnych jąder promieniotwórczych.

Zobacz też

Notatki (edytuj)

  1. „Absolutne minimum”. Rozdział z książki Michael Fire Glossary Electron
  2. Niesamowity świat w jądrze atomowym Pytania po wykładzie
  3. 1 2 3 4 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Podstawowe stałe fizyczne – pełna lista
  4. 6,9. Cząstki elementarne (niedostępny link) . Źródło 24 kwietnia 2007. Zarchiwizowane 28 września 2007.
  5. KP Beuermann i in. Widma negatronów i pozytonów promieniowania kosmicznego od 12 do 220 MeV // Phys. Obrót silnika. Lett .. - 1969. - Cz. 22. - str. 412-415. - doi : 10.1103 / PhysRevLett.22.412 .
    H. Ejiri. Różnica między wartościami log ft rozpadów negacji i pozytonów od jąder nieparzystych do parzystych // J. Phys. Soc. Jpn .. - 1967. - Cz. 22. - str. 360-367. - doi : 10.1143 / JPSJ.22.360 .
  6. Z artykułu JG Skibo, R. Ramaty. Pierwotne i wtórne pozytony i elektrony promieniowania kosmicznego // 23. Międzynarodowa Konferencja Promieniowania Kosmicznego. - 1993. - t. 2. - str. 132-135. - Kod Bib : 1993ICRC .... 2..132S . : "Odtąd termin elektron będzie odnosić się do pozytonów i negatronów."

Literatura

  • Wszystkie znane właściwości pozytonu zostały usystematyzowane w przeglądzie Particle Data Group [1] .
  • Klimov A.N. Fizyka jądrowa i reaktory jądrowe. M. Atomizdat , 1971.