正負電子對形成是指當光子能量大於兩個電子的靜止質量(即大於1.02MeV)時，它們與物質相互作用可產生一對一正、負電子對，而光子本身則消失。
基本介紹
- 中文名：正負電子對形成
- 外文名：positive-negative electron pair creation
- 所屬學科：物理
- 發現者：安德森
- 發現時間：1933年
正電子的發現,電子對的產生與質湮輻射,
正電子的發現
中子發現後不久， 1932年安德森發現了正電子，當他用威耳遜雲室研究宇宙線時，在所拍攝的照片中發現若干彎曲的帶電粒子徑跡，經過研究證明，形成這些徑跡的粒子的質量與電荷數應該與電子相同，但它的徑跡的彎曲方向卻與電子的相反，因此說明這粒子的電荷應該是正的，稱它為“陽電子(或正電子)”。
其實安德森在實驗上發現正電子之前，狄拉克(1928)由相對論量子力學理論預言有正電子的存在。在求解自由電子的狄拉克方程時，給出兩部分電子能量本徵值，一部分從
到
，另一部分從
到
。這就是說電子除了有正能量外還有負能量。由以上結果可見，電子的能量分布在二個間隔為
的連續區域內，如圖1所示，如果電子從負能量區向正能量區過渡時，至少需要 的能量。
圖1但一個處於負能區的電子將表現出奇怪的特性，因為它的能量是負的，它應具有負質量，所以它將具有與力的方向相反的加速度等異於通常粒子的性質，然而這種電子，人們卻從來沒有觀察到過，為了克服這個困難，狄拉克提出了下列假設：在正常狀態下，所有負能量的能量狀態都被電子所填滿，而正能量的狀態則僅局部被占據，因為所有負能量的狀態都被填滿，因此有無限多的負能量電子均勻分布在負能量區域，形成所謂“本底”，所以平時不易察見它們。但如當某個負能量電子吸收了能量E(
)，而從負能量區躍遷到正能量區後，在均勻的本底中就留下所謂“空穴”， 這樣我們就可一方面發現具有正能量的通常電子，另一方面同時又察見那個“空穴”，但這個“空穴”和具有負能量的電子本身不同，而將與帶有正電的通常粒子的性質相類似。狄拉克起初認為這種“空穴”就是質子，但後來知道它們的性能應該和具有等於電子質量的粒子相同。正電子的發現證實了這種帶正電的電子的存在。
電子對的產生與質湮輻射
能量大於兩倍電子靜止能量的
光子，它與實物相互作用時，例如在雲室中穿過鉛板時，可發現有一對曲率相反的電子對徑跡。
這可用狄拉克理論來說明，根據狄拉克理論，正能量電子區域與負能量電子區域的間隔為
，所以如果有一個 光子，它的能量
，就有可能被負能量區的一個電子所吸收，該電子被激發而躍遷到正能量區域，表現為一個正能量的電子
，同時留下的“空穴”則表現為一個正能量正電子
，合起來看，則在原子核旁發生如下產生電子對的過程：
與產生電子對相反的過程，即一個正電子與一個負電子相結合而轉變為
光子的過程也曾被觀察到，因為這種效應要同時遵守能量守恆與動量守恆，所以 光子必然成對產生，而且在質心坐標系中兩個 光子的投射方向相反，正負電子對轉變為 光子的過程，在一般文獻中波稱為“湮沒輻射”。物理學中的一些唯心主義流派將正負電子對轉變為 光子的現象當作“物質消滅了”的證據，實際上，這是物質由一種形式(實物)向另一種形式(場)的轉變過程，物質並沒有消滅，在轉變過程中，根據質量能量聯繫定律，實物的靜止質量變成了場的運動質量，實物的“潛在的”能量變成了場的“活躍的”能量，質量與能量仍然守恆。
