Позитрон

Позитрон (антиелектрон)
Фотографија маглене коморе коју је направио К. Д. Андерсон на којој је први пут идентификован позитрон. Оловна плоча од 6 mm раздваја комору. Отклон и правац јонског трага честице указују на то да је честица позитрон.
КомпозицијаЕлементарна честица
СтатистикеФермиони
ГенерацијаПрва
ИнтеракцијеГравитација, Електромагнетизам, Слаба интеракција
Симболe+, β+
АнтичестицаЕлектрон
ТеоријеПол Дирак (1928)
ОткривенКарл Дејвид Андерсон (1932)
Масаme

9,10938356(11)×10−31 kg[1]
5,485799090(16)×10−4 u[1]

0,5109989461(13) MeV/c2[1]
Средњи полуживотстабилан (исто као електрон)
Наелектрисање+1 e
+1,602176565(35)×10−19 C[1]
Спин1/2 (исто као електрон)
Слаби изоспинLH: 0, RH: 1/2
Антиматерија
Преглед
Анихилација
Уређаји
Античестице
Употреба
Организације
Људи
edit

Позитрон је античестица електрона: има наелектрисање +1, спин 1/2, и масу једнаку маси електрона. Када се нискоенергијски позитрон судари са нискоенергијским електроном долази до њихове анихилације при чему настају два гама фотона.

Позитрон емитују нека нестабилна језгра током радиоактивног распада. Може настати и у судару високоенергијског фотона чија је енергија већа од 2mec2 = 2×0,511 MeV = 1,022 MeV (где је me маса електрона а c брзина светлости у вакууму)са наелектрисаном честицом, рецимо атомским језгром. Овај процес се назива стварање парова јер у њему настаје пар позитрон-електрон. Постојање позитрона први је постулирао Пол Дирак 1928. године. Позитрон је експериментално детектовао Карл Андерсон 1932. године који му је и дао име. Позитрон је прва детектована честица антиматерије. Данас се позитрони рутински производе у позитрон емисионој томографији која се користи за дијагностику у медицини и у физичким лабораторијама у експериментима са електрон-позитрон сударачима.

Позитрон
Класификација
Елементарна честица
Фермион
Лептон
Особине
Наелектрисање e =

1,602 176 462(63)·10-19 C

Маса мировања 5,485 799 110(12)·10-4 u =

9,109 381 88(72)·10-31 kg

енергија масе мировања 0,510 998 902(21) MeV =

8,187 104 14(64)·10-14 J

магнетни момент -928,476 362(37)·10-26 J T-1
Спин 1/2
g-фактор 2,002 319 304 3718(75)
Време живота стабилан (у апсолутном вакууму)

Историја

Теорија

Године 1928, Пол Дирак је објавио рад[2] у којем предлаже да електрони могу имати и позитивно и негативно наелектрисање. Овај рад је представио Диракову једначину, обједињавање квантне механике, специјалне релативности и тада нови концепт спина електрона да би објаснио Земанов ефекат. Тај рад није експлицитно предвидео нову честицу, али је дозволио да електрони имају позитивну или негативну енергију као решења. Херман Вајл је затим објавио рад у коме се расправљало о математичким импликацијама решења негативне енергије.[3] Решење са позитивном енергијом објаснило је експерименталне резултате, али је Дирак био заинтригиран једнако важећим решењем негативне енергије које је математички модел дозвољавао. Квантна механика није дозволила да се решење негативне енергије једноставно занемари, као што је класична механика често радила у таквим једначинама; дуално решење је подразумевало могућност да електрон спонтано скаче између позитивних и негативних енергетских стања. Међутим, таква транзиција још увек није била примећена експериментално.

Дирак је написао пратећи рад у децембру 1929. године[4] који је покушао да објасни неизбежно решење негативне енергије за релативистички електрон. Он је тврдио да се „... електрон са негативном енергијом креће у спољашњем [електромагнетном] пољу као да носи позитивно наелектрисање“.

Роберт Опенхајмер се снажно залагао против тога да је протон решење за електрон негативне енергије за Дирацову једначину. Он је тврдио да ако би то био случај, атом водоника би се брзо самоуништавао.[5] Убеђен Опенхајмеровим аргументом, Дирак је 1931. објавио рад који предвиђа постојање још незапажене честице коју је назвао „анти-електрон“ која би имала исту масу и супротан набој од електрона, и да би се она поништавала при контакту са електроном.[6]

Фејнман, и раније Штјукелберг, предложили су тумачење позитрона као електрона који се креће уназад у времену,[7] реинтерпретирајући решења Диракове једначине негативне енергије. Електрони који се крећу уназад у времену имали би позитиван електрични набој. Вилер се позвао на овај концепт да објасни идентична својства која деле сви електрони, сугеришући да су „сви они исти електрон“ са сложеном светском линијом која се самопресеца.[8] Јоичиро Намбу је касније то применио на сву продукцију и анихилацију парова честица-античестица, наводећи да „евентуално стварање и уништење парова које се може десити с времена на време није никакво стварање или анихилација, већ само промена смера покретних честица, од прошлост у будућност, или из будућности у прошлост.“[9] Временско гледиште уназад се данас прихвата као потпуно еквивалентно другим сликама, али нема никакве везе са макроскопским терминима „узрок“ и „ефекат“, који се не јављају у микроскопском физичком опису.

Експериментални трагови и откриће

Вилсонове маглене коморе су некада биле веома важни детектори честица у раним данима физике честица. Коришћени су у откривању позитрона, миона и каона.

Неколико извора тврди да је Дмитриј Скобелцин први пут посматрао позитрон много пре 1930. године,[10] или чак 1923. године.[11] Они наводе да док је користио Вилсонову маглену комору[12] у циљу проучавања Комптоновог ефекта, Скобелцин је открио честице које су деловале као електрони, али су се савијале у супротном смеру у примењеном магнетном пољу, и да је представио фотографије са овим феноменом на конференцији у Кембриџу, 23-27. јула 1928. У својој књизи[13] о историји открића позитрона из 1963. године, Норвуд Расел Хансон је дао детаљан приказ разлога за ову тврдњу, а одатле је можда и проистекао мит. Он је исто тако навео Скобелцијеов приговор на то у апендиксу.[14] Касније је Скобелцин још снажније одбацио ову тврдњу, називајући је „ништа осим чисте бесмислице“.[15]

Скобелцин је отворио пут коначном открићу позитрона са два важна доприноса: додавањем магнетног поља у своју маглену комору (1925[16]) и откривањем наелектрисаних честица космичких зрака,[17] за шта му је призната заслуга у Нобеловом предавању Карла Андерсона.[18] Скобелцин је приметио вероватне трагове позитрона на сликама снимљеним 1931,[19] али их у то време није идентификовао као такве.

Слично томе, 1929. Чунг-Јао Чао, постдипломац на Калтеху, приметио је неке аномалне резултате који су указивали да се честице понашају као електрони, али са позитивним набојем, мада су резултати били неубедљиви и феномен није био даље разматран.[20]

Карл Дејвид Андерсон је открио позитрон 2. августа 1932,[21] за шта је добио Нобелову награду за физику 1936. године.[22] Андерсон није сковао термин позитрон, али је подржао предлог уредника часописа Physical Review коме је поднео свој рад о открићу крајем 1932. Позитрон је био први доказ антиматерије и откривен је када је Андерсон дозволио космичким зрацима да прођу кроз маглену комору и оловну плочу. Магнет је окруживао овај апарат, узрокујући да се честице савијају у различитим правцима на основу њиховог електричног набоја. Јонски траг који је оставио сваки позитрон појавио се на фотографској плочи са закривљеношћу која одговара односу масе и наелектрисања електрона, али у правцу који је показао да је његово наелектрисање позитивно.[23]

Андерсон је ретроспективно написао да је позитрон могао бити откривен раније на основу дела Чунг-Јао Чаоа, само да је био праћен.[20] Фредерик и Ирена Жолио-Кири у Паризу имали су доказе о позитронима на старим фотографијама када су Андерсонови резултати изашли, али су их одбацили као протоне.[23]

Позитрон су такође истовремено открили Патрик Блекет и Ђузепе Окијалини у лабораторији Кевендиш 1932. Блекет и Окијалини су одложили објављивање да би добили чвршће доказе, тако да је Андерсон успео да први објави откриће.[24]

Види још

Референце

  1. ^ а б в г The original source for CODATA is:
    Mohr, P. J.; Taylor, B. N.; Newell, D. B. (2008). „CODATA recommended values of the fundamental physical constants”. Reviews of Modern Physics. 80 (2): 633—730. Bibcode:2008RvMP...80..633M. CiteSeerX 10.1.1.150.1225 Слободан приступ. arXiv:0801.0028 Слободан приступ. doi:10.1103/RevModPhys.80.633. 
    Individual physical constants from the CODATA are available at:
    „The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty”. National Institute of Standards and Technology. Приступљено 24. 10. 2013. 
  2. ^ Dirac, P. A. M. (1928). „The quantum theory of the electron”. Proceedings of the Royal Society A. 117 (778): 610—624. Bibcode:1928RSPSA.117..610D. doi:10.1098/rspa.1928.0023 Слободан приступ. 
  3. ^ Weyl, H. (1929). „Gravitation and the Electron”. PNAS. 15 (4): 323—334. Bibcode:1929PNAS...15..323W. PMC 522457 Слободан приступ. PMID 16587474. doi:10.1073/pnas.15.4.323 Слободан приступ. 
  4. ^ Dirac, P. A. M. (1930). „A theory of electrons and protons”. Proceedings of the Royal Society A. 126 (801): 360—365. Bibcode:1930RSPSA.126..360D. doi:10.1098/rspa.1930.0013 Слободан приступ. 
  5. ^ Close, F. (2009). Antimatter. Oxford University Press. стр. 46. ISBN 978-0-19-955016-6. 
  6. ^ Dirac, P. A. M. (1931). „Quantised Singularities in the Quantum Field”. Proceedings of the Royal Society A. 133 (821): 60—72. Bibcode:1931RSPSA.133...60D. doi:10.1098/rspa.1931.0130 Слободан приступ. 
  7. ^ Feynman, R. (1949). „The theory of positrons”. Physical Review. 76 (6): 749—759. Bibcode:1949PhRv...76..749F. doi:10.1103/PhysRev.76.749. 
  8. ^ Feynman, R. (11. 12. 1965). The Development of the Space-Time View of Quantum Electrodynamics (Говор). Nobel Lecture. Приступљено 2. 1. 2007. 
  9. ^ Nambu, Y. (1950). „The Use of the Proper Time in Quantum Electrodynamics I”. Progress of Theoretical Physics. 5 (1): 82—94. Bibcode:1950PThPh...5...82N. doi:10.1143/PTP/5.1.82 Слободан приступ. 
  10. ^ Wilson, David (1983). Rutherford, Simple Genius. Hodder and Stoughton. стр. 562—563. ISBN 0-340-23805-4. 
  11. ^ Close, F. (2009). Antimatter. Oxford University Press. стр. 50–52. ISBN 978-0-19-955016-6. 
  12. ^ Cowan, E. (1982). „The Picture That Was Not Reversed”. Engineering & Science. 46 (2): 6—28. 
  13. ^ Hanson, Norwood Russel (1963). The Concept of the Positron. Cambridge University Press. стр. 136–139. ISBN 978-0-521-05198-9. 
  14. ^ Hanson, Norwood Russel (1963). The Concept of the Positron. Cambridge University Press. стр. 179–183. ISBN 978-0-521-05198-9. 
  15. ^ Brown, Laurie M.; Hoddeson, Lillian (1983). The Birth of Particle Physics. Cambridge University Press. стр. 118–119. ISBN 0-521-24005-0. 
  16. ^ Bazilevskaya, G.A. (2014). „Skobeltsyn and the early years of cosmic particle physics in the Soviet Union”. Astroparticle Physics. 53: 61—66. doi:10.1016/j.astropartphys.2013.05.007. 
  17. ^ Skobeltsyn, D. (1929). „Uber eine neue Art sehr schneller beta-Strahlen”. Z. Phys. 54: 686—702. S2CID 121748135. doi:10.1007/BF01341600. 
  18. ^ Anderson, Carl D. (1936). „The Production and Properties of Positrons”. Приступљено 10. 8. 2020. 
  19. ^ Skobeltzyn, D. (1934). „Positive electron tracks”. Nature. 133 (3349): 23—24. S2CID 4226799. doi:10.1038/133023a0. 
  20. ^ а б Merhra, J.; Rechenberg, H. (2000). The Historical Development of Quantum Theory, Volume 6: The Completion of Quantum Mechanics 1926–1941. Springer. стр. 804. ISBN 978-0-387-95175-1. 
  21. ^ Anderson, C. D. (1933). „The Positive Electron”. Physical Review. 43 (6): 491—494. Bibcode:1933PhRv...43..491A. doi:10.1103/PhysRev.43.491 Слободан приступ. 
  22. ^ „The Nobel Prize in Physics 1936”. Приступљено 21. 1. 2010. 
  23. ^ а б Gilmer, P. J. (19. 7. 2011). „Irène Jolit-Curie, a Nobel laureate in artificial radioactivity” (PDF). стр. 8. Архивирано из оригинала (PDF) 19. 5. 2014. г. Приступљено 13. 7. 2013. 
  24. ^ „Atop the Physics Wave: Rutherford Back in Cambridge, 1919–1937”. Rutherford's Nuclear World. American Institute of Physics. 2011—2014. Архивирано из оригинала 21. 10. 2014. г. Приступљено 19. 8. 2014. 

Литература

С. Мацура, Ј. Радић-Перић, АТОМИСТИКА, Факултет за физичку хемију Универзитета у Београду/Службени лист, Београд, 2004., стр. 542.

Додатна литература

Спољашње везе

Позитрон на Викимедијиној остави.