基本介紹
- 中文名：湮滅
- 外文名：annihilation
- 結果：兩兩相消並產生新物質與能量等
湮滅反應,正電子湮沒,湮沒過程,湮沒譜的表征,套用示範,
湮滅反應
就是正反物質相遇所產生的爆炸。大家幾乎都知道在宇宙這個"自然界"有原理或工作正好相反的物質，我們為區分它們，所以叫它們正物質與反物質．這兩個物質一旦相遇便會產生爆炸。
英國物理學家狄拉克把量子力學與高速運動所必須的相對論力學相結合導致產生了反物質的概念。1932年，由美國物理學家安德遜在宇宙射線中發現了正電子，從而證實了狄拉克的理論。
在宇宙中，天文學家們發現經常會出現一種爆炸，經過科學家們的分析，這種爆炸是由正、反物質的湮滅其遵守愛因斯坦的質能守恆定律E=mc^2中E為湮滅產生能量，m為物質湮滅前總質量，c為光速3x10^8米/秒。舉例來說，二分一克反物質湮滅所產生的能量和廣島市核子彈爆炸所產生的能量相當。(即是一克反物質湮滅所產生的能量約為20-30千噸TNT當量，或者是大約200萬千卡)引起的，威力巨大，同時伴隨有γ射線的產生，景象十分壯觀。
湮滅一旦發生，正反物質的質量將全部轉化為能量，按照愛因斯坦的質能公式E=mc^2釋
放巨大的能量，就目前所知道的所有物理反應而言，這是效率最高的燃燒方式。我們可以比較一下每公斤星際飛船發動機燃料的效果，很
理想的化學反應可以產生1×10^7焦耳的能量，核裂變產生8×10^13焦耳，核聚變產生3×10^14焦耳，而反物質的湮滅能產生9×10^16焦耳，是氫氧化學反應的1百億倍，太陽核心熱核反應的300倍。
一片阿司匹林那么大的反物質同物質湮滅產生的能量足以讓一艘飛船巡弋數百光年，而太空梭那么巨大的燃料箱和推進器中的燃料完全可以用100毫克的反物質代替。據科學家們估算，每百萬分之一克的反質子與質子發生湮滅(爆炸)後釋放的能量相當於37.8公斤的TNT炸藥，其威力之大令世人震驚。
正電子湮沒
正電子湮沒是指正電子射入凝聚態物質中，與周圍達到熱平衡後，與電子湮沒的同時發射出γ射線。正電子湮沒技術對原子尺度的缺陷十分敏感，因此，它是研究納米微晶材料結構和缺陷的一種十分有效的手段。納米材料中如果含有空位、位錯或空洞等缺陷時，由於這些缺陷會強烈吸引正電子，使得正電子湮沒產生一定的時間延遲（即正電子壽命），通過對正電子湮沒圖譜的分析，可以知道正電子壽命，從而提供納米材料的電子結構或者缺陷結構的一些有用信息。
湮沒過程
正電子是電子的反粒子，兩者構成反物質。正電子只有在沒有電子的地方才是穩定的，一旦遇到電子，它們就發生相互作用而湮沒。正電子與電子的湮沒輻射是一個相對論過程，遵循電荷、自旋、能量、動量守恆和選擇定則，一個正電子進入介質後，通過與離子、電子的非彈性散射等相互作用，在極短的時間內就幾乎失去其全部動能，成為與分子熱運動相平衡的熱化正電子，然後以kT量級的動能在介質中擴散、遷移，直到與一個電子相遇而湮沒輻射出γ光子。根據正電子-電子對的狀態，可湮沒輻射出單γ光子、雙γ光子、三γ光子，以致多個γ光子。因為動量守恆的緣故，單γ光子湮沒輻射僅當正電子與原子的最內殼k層的電子相互作用，或者說僅當存在能吸收反衝動量的第三個粒子（電子或原子核）時，才會發生，其幾率很小，可忽略。當正電子與原子的外殼層電子或自由電子的相對自旋取向反平行時，發生雙γ光子湮輻射，相對自旋取向平行時，發生三γ光子湮沒輻射，三 γ光子輻射的幾率也很小。正電子湮沒過程中的主要事件是雙γ光子輻射。目前絕大部分工作均採用雙γ輻射的正電子湮沒。
湮沒譜的表征
正電子進入介質後，通過與電子、離子的非彈性散射等過程，很快熱化而失去其幾乎全部動能，並與介質中的電子湮沒，輻射出 γ 光子，該 γ光子帶出的信息基本上決定於湮沒前電子的狀態。正電子湮沒各種測量儀器所進行的測量均是探測γ 光子，γ光子信號所累計的譜線與試樣中的電子狀態和組織結構相關。因此，了解和熟悉正電子湮沒譜線的各種特徵、各種參數是對材料進行研究的基礎。
正電子湮沒譜線的主要表現特徵有3個：①正電子湮沒壽命；②正電子湮沒都卜勒能譜展寬；③雙 γ湮沒輻射角分布。
這3個特徵從不同的角度反映了正電子在試樣中的同一湮沒事件，也就是說正電子湮沒技術對同一試樣既可採用壽命譜研究，也可用能譜展寬和角分布研究，其結果是一致的。正電子湮沒技術之所以倍受人們注意的原因之一是它可以對同一對象進行多方位的分析，而不像有些技術那樣僅能提供一到兩個參數。
正電子進入介質後，通過與電子、離子的非彈性散射等過程，很快熱化而失去其幾乎全部動能，並與介質中的電子湮沒，輻射出 γ 光子，該 γ光子帶出的信息基本上決定於湮沒前電子的狀態。正電子湮沒各種測量儀器所進行的測量均是探測γ 光子，γ光子信號所累計的譜線與試樣中的電子狀態和組織結構相關。因此，了解和熟悉正電子湮沒譜線的各種特徵、各種參數是對材料進行研究的基礎。
正電子湮沒譜線的主要表現特徵有3個：①正電子湮沒壽命；②正電子湮沒都卜勒能譜展寬；③雙 γ湮沒輻射角分布。
這3個特徵從不同的角度反映了正電子在試樣中的同一湮沒事件，也就是說正電子湮沒技術對同一試樣既可採用壽命譜研究，也可用能譜展寬和角分布研究，其結果是一致的。正電子湮沒技術之所以倍受人們注意的原因之一是它可以對同一對象進行多方位的分析，而不像有些技術那樣僅能提供一到兩個參數。
正電子湮沒壽命
正電子湮沒壽命就是正電子從產生至進入介質與其中的電子湮沒“死亡”的平均生存時間。由於正電子只有在沒有電子的地方才是穩定的，只要不遇到電子它就可以一直生存下去，一旦遇到電子便“死亡”。正電子湮沒壽命τ決定於正電子湮沒速率λ，兩者互為倒數關係τ =1/λ。在非均勻電子系統中，湮沒速率為：
式中 r0是經典電子半徑；|ψ|2是正電子密度；n（r）是正電子湮沒位置的電子密度；c是光速。
上式可簡寫為λ =1/τ =πγ02cn。顯而易見，電子密度是決定正電子湮沒壽命長短的關鍵因素。正電子湮沒壽命與電子密度成反比。
正電子湮沒都卜勒展寬能譜
正電子與電子湮沒輻射時，正電子和電子的靜止質量能和動能（幾個eV）全部轉變成電磁輻射能———兩個γ光子。在正電子-電子對質心坐標系觀察，這兩個γ光子能量各為0.511MeV，方向相反且成精確的180°，但是在實驗室坐標系觀察，這兩個γ光子能量就不再是0.511MeV，發射方向也不再共線。
正電子湮沒輻射角分布
在正電子湮沒輻射出的兩個γ光子方向不共線，會形成一個夾角θ，其大小與正電子的動能有關。測量正電子湮沒都卜勒展寬能譜和角分布可以得到電子動量分布方面的信息。
套用示範
ShekC.H.等用正電子湮沒技術對納米 SnO2的界面缺陷進行了研究。圖3-61給出納米SnO2的正電子壽命 τ1（短壽命）、τ2（中等壽命）和兩者含量之比I1/I2以及平均壽命珔τ 隨熱處理溫度的變化。由圖可以看出，納米 SnO2各壽命值及含量的變化分為兩個階段。在晶粒慢速生長階段（500℃以下），隨著溫度上升，τ1、τ2都略有增大，I1/I2基本不變。在這一階段，晶粒尺寸遠小於正電子平均自由擴散長度，因此，入射到SnO2的正電子幾乎全部被界面缺陷湮沒，造成界面上單空位尺寸的自由體積缺陷（對應短壽命τ1）和微空洞缺陷（對應中等壽命τ2）都稍有增加。第二階段，在500℃以上，τ1及 τ2都迅速下降，I1/I2顯著增大（從0.5增大到4）。這些變化的原因是：晶粒長大使得界面原子重排，導致界面上空位大小缺陷的自由體積明顯減少，數量明顯增多；微空洞的尺寸和數量也發生類似的變化，不過變化較為緩慢，從而使I1/I2明顯增加，珔τ減小。溫度升高后，SnO2的粒徑逐漸接近甚至超過正電子平均自由擴散長度，有相當一部分正電子在晶粒內湮沒，此時界面缺陷中的捕獲態湮沒和晶粒內部的自由湮沒都會發生，τ1為兩者的綜合反映，致使不迅速減小，大晶粒的數目增多，I1也就增大。同時，由於晶粒長大，晶界遷移，表面、界面面積減小，微空洞的相對數目減小，其尺寸也變小，這些都造成了τ2、I2及珔τ的下降，從而I1/I2增大。
