Позитрон

Позитрон — елементарна частинка, античастинка електрона. Відноситься до антиматерії. Позначається e+. Як і електрон, позитрон є лептоном і ферміоном, і бере участь у електромагнітній, слабкій і гравітаційній взаємодіях. Має однакові з електроном характеристики, за винятком того, що електричний заряд позитрона додатній а лептонний заряд дорівнює -1.

позитрон

Перша світлина позитрона, який вдалося наочно зафіксувати
Склад: елементарна частинка
Родина: ферміон
Група: лептон
Покоління: перше
взаємодії: електромагнітна, гравітаційна, слабка
Античастинка: електрон
Передбачена: Поль Дірак 1928
Відкрита: Карл Андерсон 1932
Символ: e+, β+
Маса: 0.510998910(13) МеВ
Час життя: стабільний
Електричний заряд: 1
Спін: 1/2

Позитрон може утворитися при β+ розпаді ядра, при якому один із протонів перетворюється на нейтрон. Високоенергетичний гамма-квант може породити електрон-позитронну пару у сильному електромагнітному полі.

При зіткненні позитрона і електрона вони анігілюють, породжуючи два або більше гамма-квантів.

Історія

Вже через рік після відкриття у 1897 році Томсоном електрону, Артур Шустер з міркувань симетрії припустив, що можуть існувати і аналогічні частинки з позитивним зарядом (антиелектрони), що утворюють антиатоми і, можливо, цілі планети з антиматерії[1], проте наступні 30 років не було ніяких даних про те, що такі частинки реально існують.

Теоретичні вказівки на існування позитрона з'явилися у 1928 році, коли Поль Дірак, вивів рівняння руху електрона, що пізніше було названо на його честь, і показав, що воно має чотири рівноправні розв'язки, два з яких відповідали електрону, що має спін +½ і -½, а два інших — аналогічним станам, але з від'ємною енергією. Це бентежило теоретиків, оскільки можна показати, що якщо можливі стани з від'ємною енергією, то електрони будуть переходити на них (так само, як вони переходять на нижчі орбіталі у атомах). Спочатку висувалися припущення, що ці два рішення описують протон, проте для пояснення цього парадоксу, у 1930 році Дірак припустив, що існує безліч електронів, що заповнюють усі можливі енергетичні стани з від'ємною енергією (море Дірака), тому, через принцип Паулі, перехід інших електронів у такі стани є неможливим. Єдиний спосіб спостерігати такі електрони — це надати одному з них додаткову енергію, наприклад, через фотон. Тоді такий електрон стане поводити себе як звичайний електрон з додатною енергією, а на його місці утвориться «дірка» — незаповнена вакансія. При зіткненні електрона з діркою вони обидва зникають, випускаючи фотон. У 1931 році Дірак показав, що така вакансія буде поводити себе як частинка, рівна електрону за масою, але протилежна за зарядом, і використав для неї термін «антиелектрон»[2]. Модель Дірака сприймалася скептично, проте у 1932 році Карл Девід Андерсон експериментально відкрив позитрон у космічних променях. Цікаво, що, ймовірно, позитрони спостерігав радянський фізик Дмитро Скобєльцин ще у 1928 році, проте ідентифікував їх як електрони, що рухались від землі вгору (трек позитрона у камері Вільсона, є аналогічним треку електрона, що рухається в протилежну сторону)[3]. Андерсон у своїх експериментах зміг показати, як саме рухалися частинки, розмістивши посередині камери металеву пластинку. Електрони і позитрони, проходячи через неї, зменшували швидкість, тому можна було легко побачити, в яку сторону вони рухалися. Андерсон був нагороджений за своє відкриття Нобелівською премією з фізики у 1936 році[4]. При цьому Андерсон не був знайомий з теорією Дірака, тому не одразу зрозумів, що описана ним частинка є антиелектроном (тому і запропонував для неї назву «позитрон», що не відсилає напряму до електрона). Цей погляд став більш поширеним лише після опублікованих у 1933 році експериментів Блеккета і Оккіліані, у яких вони змогли зробити фотографії V-подібних треків електрона і позитрона, що виходили з однієї точки[5].

Подальший розвиток квантової механіки у 1930-х роках показав, що «море Дірака» не є необхідним для існування позитронів, і передбачення, що дає ця модель, не відповідають реальності (наприклад, при анігіляції електрона і позитрона утворюються принаймні два фотона), тому позитрон почав сприйматись як самостійна реальна частинка[2].

У 1933 році Ірен та Фредерік Жоліо-Кюрі відкрили β+-розпад. Опромінюючи алюміній альфа-частинками вони створили штучний ізотоп фосфор-30, з періодом напіврозпаду 3,5 хвилини, що, розпадаючись, випромінював позитрони[6]. У 1935 році вони отримали Нобелівську премію з хімії за свої відкриття.

У 1934 році Андрія Мохоровичич теоретично припустив існування зв'язаного стану електрона і позитрона — позитронію, а у 1951 Мартін Дойч відкрив його експериментально[7].

У 1939 році випромінюючі позитрони ізотопи були використані для дослідження рослин, а у 1945 році — людей. У 1948 році з'явився принциповий теоретичний опис позитрон-емісійної томографії, а у 1962 вона була вперше використана для дослідження пухлин мозку[8].

Джерела

Природні

Частка позитронів у космічних променях змінюється від 5 % (для енергій до 1 ГеВ) до 30 % (для енергій понад 500 ГеВ). Загалом, потік позитронів з космосу досягає 62 частинки/(м²·ср·с)[9].

Практично єдиним природним ізотопом, що випромінює позитрони є калій-40[10]. Його частка у природному калію становить 0,012 %, і в одному випадку з 10000 він розпадається з утворенням позитрону[11]. Таким чином, продукти і мінерали з підвищеним вмістом калію є слабкими джерелами позитронів — наприклад, у банані утворюється один позитрон кожні 75 хвилин[12].

Окрім калію, існує ще кілька природних ізотопів, що, можливо, розпадаються з утворенням позитронів — хром-50, молібден-92, рутеній-96, кадмій-106, барій-130 і меркурій-196 проте їх час життя є дуже великим (квінтильйони років і більше), тому точні дані про їх канали і продукти розпаду наразі невідомі[13].

Згідно деяких досліджень, нестабільний ізотоп азоту N-13, що розпадається з утворенням позитронів, може утворюватись блискавками під час грози[14].

Штучні

Існує велика кількість ізотопів, що утворюють позитрон при розпаді, і, хоча більшість цих ізотопів не зустрічаються в природі, вони можуть бути отримані штучно. Найбільш вживаними є ізотопи C-11, N-13, O-15 і F-18[15], а загалом знаходять використання більше 30 позитрон-випромінюючих ізотопів[16].

Через малу інтенсивність і складності зі збиранням у пучки, для прискорювачів більш зручними є інші способи отримання позитронів — генерування їх фотонами у сильних електромагнітних полях. Вони працюють завдяки тому, що у сильному електромагнітному полі високоенергетичний фотон може розпастися на електрон-позитронну пару (чого він не може зробити у вільному стані). Існує кілька способів зробити так, щоб високоенергетичний фотон утворився в сильному полі[17][18]:

Використання

Найбільш масово позитрони використовуються для позитрон-емісійної томографії. Принцип її дії полягає в тому, що у організм пацієнта вводять радіонуклід, що утворює позитрони при розпаді. Ті, в свою чергу, анігілюють з електронами, присутніми в навколишній матерії, і випромінюють гамма-кванти. Завдяки тому, що позитрони мають низьку початкову енергію, вони породжують завжди два кванта з сталою енергією (511 КеВ), що розлітаються в протилежних напрямках, тому, фіксуючи обидва кванти, можна дуже точно визначити місце їх виникнення[8].

Див. також

Примітки
  1. physicists make the most of antimatter(англ.)
  2. Dirac's Prediction of the Positron: A Case Study for the Current Realism Debate(англ.)
  3. Этюд об античастицах: Антиматерия, антивещество… Что это такое?(рос.)
  4. August 1932: Discovery of the Positron(англ.)
  5. THEORY VS. EXPERIMENT: THE CASE OF THE POSITRON (англ.)
  6. Artificial Radioactive Isotopes
  7. History(англ.)
  8. A Brief History of Positron Emission Tomography
  9. Electrons and Positrons in Cosmic Rays(англ.)
  10. Why does positron emission occur only in artificially produced isotopes?(англ.)
  11. Positron Emission in the Decay of K40(англ.)
  12. Antimatter from bananas(англ.)
  13. CRC Handbook of Chemistry and Physics Архівовано 29 жовтня 2018 у Wayback Machine.(англ.)
  14. Photonuclear reactions triggered by lightning discharge
  15. Positron-emitting isotopes produced on biomedical cyclotrons(англ.)
  16. Medically-Useful Positron Emitters(англ.)
  17. ИСТОЧНИКИ ПОЗИТРОНОВ(рос.)
  18. Источники пучков заряженных частиц(рос.)

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.