反電子

反電子，又稱陽電子、正電子、正子，基本粒子的一種，帶正電荷，質量和電子相等，是電子的反粒子。最早是由狄拉克從理論上預言的。1932年8月2日，美國加州理工學院的安德森等人向全世界莊嚴宣告，他們發現了正電子（此前已被中國的趙忠堯發現）。正電子的發現是利用雲霧室來觀測的。在雲霧室中充入過飽和的乙醚氣，當物質放射出正電子時，正電子穿過雲霧室，在正電子運行軌道中出現液滴線，通過外加磁場測量正電子的偏轉方向及半徑就可以知道它的帶電符號，及荷質比（帶電量與質量的比值）從而確定正電子的性質。正電子的發現開闢了反物質領域的研究。

基本介紹

• 中文名：反電子
• 外文名：positive electron
• 學科：物理
• 發現者：趙忠堯
• 發現時間：1929年

簡介

根據基本粒子的分類，反電子是輕子，它的自旋為1/2，遵守費米狄拉克統計，參加電磁相互作用、弱相互作用和萬有引力作用，但不參加強相互作用。因此反電子和電子的基本物理性質如下表所示。

電子與反電子基本物理性質

反電子是反物質，遇電子會發生湮沒，因此它不天然存在，往往用人工辦法產生。一種方法是通過加速器或反應堆，利用核反應生成缺中子放射源，如²²Na，⁶⁴Cu，⁵⁸Co等等。另外是通過高能光子的電子對效應產生反電子。如利用高能電子直線加速器產生的電子打在W靶上，當高能電子產生的韌致輻射能量大於1.022 MeV，即正、負電子靜止質量之和時，可以產生一對電子和反電子。當然，為了能量守恆.該反應必須在原子核附近進行，它用來吸收了射線的反衝動量。下圖為利用高能電子產生的韌致輻射來產生反電子的原理圖。

反電子的產生原理

發現過程

J.J.湯姆森在1897年發現了第一個基本粒子-電子，電子是負電子的通俗簡稱，並於1906年獲得諾貝爾物理獎。當時人們憑著一般的認識，負電子應當有其對應物-帶正電荷的電子存在，而且在那時德國先後有幾位物理學家一直在尋找與陰極射線相對應的陽極射線，但是都沒有得到希望的結果。J.J.湯姆森發現負電子之後幾年，就試圖通過陽極射線發現反電子，甚至將善於做實驗的阿斯頓（F.W.Aston）從伯明罕大學調來，幫助他做有關的實驗儀器和實驗，大約從1903年起花了10年的時間，除去F.W.阿斯頓在這個過程中摸索到製作質譜儀以檢測各種元素的同位素之外，未得到什麼結果。

盧瑟福甚至在1914年發表的幾次講演“原子結構與元素的演化中，都只有把原子核看成氫原子核和電子組成的，把氫原子核（即後來說的質子）稱為反電子，雖然它的質量約為電子的1800多倍，並把電子和氫原子核看作組成一切元素的最基本粒子。但是，隨著他發現人工氮原子核分裂之後，在深入研究原子核的過程中，特別在研究氫和氦具有同位素及其原子結構的過程中，越來越感到質子不能看成正電的基本單位，而且它與負電子並不是對應物。1922年5月，他在電氣工程學會做的第13次開爾文講演《電和物質》中，改變了想法，提出反電子應當是負電子的對應物，而不是質子，其質量應與負電子相同。然而到那時卻未找到它存在的起碼證據，但是可以認為比氫原子核小得多的質量對應的正電單位是可能發現的，因而預言了反電子。

1928年著名理論物理學家R.H.否勒（R.H.Fowler）的研究生P.A.M.狄拉克（P.A.M.Dirac）發表的相對論性量子力學的論文中，提出了與負電子對應的“空穴”的理論，他說的所謂空穴就是反電子，由於他們的辦公室設在卡文迪什實驗室邊上，R.H.否勒又是盧瑟福的女婿，所以他們與該室的實驗配合進行合作研究，自然知道反電子的預言。關於它與盧瑟福預言的反電子的關係，有兩種說法，一種認為二者無關，是純理論推導的結果。一種認為那是他在卡文迪什實驗室受到盧瑟福預言反電子的啟示，才在理論上表現出來的。也有不少人認為正是P.A.M.狄拉克的“空穴”才啟發了美國物理學家c.D.安德森在研究宇宙射線時發現了反電子。在193l—

1932年，他在加州理工學院做研究生時，在R.A.密里根指導下研究宇宙射線。我國著名物理學家趙忠堯先生在1930年也在該校做R.A.密里根的研究生，但比C.D.安德森高一年級，他用統計方法發現了Y射線的反常散射現象，由於當時尚未發現電子，所以他不了解實際上這就是後來人們了解的正負電子對的湮沒現象。與他鄰屋工作的C.D.安德森有時到他的屋中看他做實驗，從中受到啟發，用雲室檢查宇宙線組成，從中意外地發現了反電子。因此他1981年發表的《回顧圖書與指南》一文中說，趙忠堯發現的γ射線被吸收和反常散射現象的結果使他大感興趣，決心製造一台可在磁場中操作的雲室，以研究γ射線產生的次級電子。這個說法的根據是反電子和負電子相遇會中和而湮沒並釋放出帶較大能量的一種電磁波，即7射線。反之，7射線在吸收一定的能量條件下會變成反電子和負電子，並且可用雲室檢測出來。

幾乎與C.D.安德森同時，卡文迪什實驗室的P.M.S.布萊克特也像J.查德威克一樣，按照盧瑟福的上述預言尋找反電子的蹤跡，按照狄拉克的說法與空穴理論無關。那時，他在盧瑟福指導下，用蓋革計數器與雲室相連，形成符合電路的計數器自動控制雲室操作，當將它放在強電磁場中並使宇宙射線通入時，發現宇宙射線粒子的徑跡偏斜，並將之拍照下來，在1932年8月21日發現了叮射線衰變成的正負電子對。到次年2月初，他證實了與負電子而不是與質子的質量相一致的帶正電粒子的存在。盧瑟福在1933年2月7日正式通知皇家學會，P.M.S.布萊克特的論文《穿透性徑跡的拍照》不久在《皇家學會議事錄》上發表。顯然，C.D.安德森和P.M.S.布萊克特完全是在彼此無關的情況下獨立發現反電子的，而且C.D.安德森在1981年10月發表的上述回憶文章的收尾處，還特別註明他的論文準備印刷時，他得到報告說P.M.S.布萊克特等已經取得反電子存在的證據。據有的史料記載，在P.M.S.布萊克特等取得反電子存在的初步結果時，盧瑟福讓他們不要急於發表，要仔細檢查一下，使之穩妥可靠，因而貽誤了時問，以致後來獲得諾貝爾物理獎時，C.D.安德森被作為發現者，而P.M.S.布萊克特則被看作驗證者，儘管兩者都與預言的作用有關。但是P.M.S.布萊克特的工作卻是按盧瑟福的預言有意識地用盧瑟福的方法和研究路線作出的，反電子的發現再次證實了盧瑟福的深邃洞察力和指導科學研究的突出才能。

產生

光子轉變

在T=5×10⁹K的溫度下光子可以較高程度的反應生成正負電子對，體系熱平衡時反電子數量和光子數量大致相等。

核聚變

恆星們主要的核反應就會釋放出反電子，比如我們的太陽，其中每時每刻都在發生如下反應：四個質子聚合成1個氦核，同時釋放出兩個電子中微子和兩個反電子。

衰變

比如放射性同位素磷30就會通過正β衰變釋放反電子。

其他方法

利用能量高於1兆電子伏的γ射線輻射鉛板、薄金屬箔、氣態媒質等都有可能觀察到反電子的出現。

反電子發射斷層成像

反電子發射斷層成像（PositronEmissionTomography）系統是利用反電子同位素衰變產生出的反電子與人體內負電子發生湮滅效應這一現象，通過向人體內注射帶有反電子同位素標記的化合物，採用符合探測的方法，探測湮滅效應所產生的γ光子，得到人體內同位素的分布信息，由計算機進行重建組合運算，從而得到人體內標記化合物分布的三維斷層圖像。

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

PET可用於精神分裂症、抑鬱症、毒品成癮症等的鑑別診斷、了解患者腦代謝情況及功能狀態，如精神分裂症患者額葉、顳葉、海馬基底神經節功能異常等。套用PET顯像，可以測定腦內多巴胺等多種受體，從分子的水平上揭示了疾病的本質。這是其他方法所不能比擬的。

PET的局限性：成像時間較長（至少要幾十秒），只能採用區組設計（Blockdesign）的實驗模式；成像時受放射性同位素的限制，不適用於單個被試的重複研究。同一被試不宜頻繁參加實驗，不利於那些需要被試多次參加實驗的研究；系統造價很高，除PET掃描機外，一般還需配備一台加速器，用以製備半衰期只有123s的¹⁵O等同位素。