Просмотр кода страницы Позитрон

{{нет источников|дата=2023-08-26}}
{{Информация о частице
 | цвет_фона               = violet
 | заголовок               = Трек позитрона в камере Вильсона, полученный в эксперименте Андерсона в 1932 году. Частица движется снизу вверх (это видно из того, что она теряет энергию, проходя через свинцовую пластинку, и трек в магнитном поле становится более закрученным), её заряд положителен (из направления поворота трека)  
 | имя                     = Позитрон
 | символ                  = <math>e^+</math>
 | состав                  = [[фундаментальная частица]]<ref>[http://old.elementy.ru/bookclub/chapters/433429/Absolyutnyy_minimum_Glava_iz_knigi «Абсолютный минимум». Глава из книги Майкл Файер Глоссарий Электрон]</ref>
 | семья                   = [[Фермион]]
 | группа                  = [[Лептон]]
 | поколение               = первое
 | взаимодействие          = [[Гравитация|гравитационное]]<ref name="elementyGrav">{{Cite web |url=http://elementy.ru/lib/430525 |title=Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции |access-date=2018-01-22 |archive-date=2015-07-15 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150715202155/http://elementy.ru/lib/430525 |deadlink=no }}</ref>, [[Слабое взаимодействие|слабое]] и [[Электромагнитное взаимодействие|электромагнитное]]
 | античастица             = [[Электрон]]
 | масса                   = 9,1093837015(28){{e|−31}} [[кг]]<ref name="CODATA allascii">[http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing] {{Wayback|url=http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt |date=20131208020310 }}. CODATA. NIST.</ref>,<br>
0,51099895000(15) [[Электронвольт|МэВ]]<ref name="CODATA allascii" />,<br>
5,48579909065(16){{e|-4}} [[Атомная единица массы|а.е.м.]]<ref name="CODATA allascii" />
 | время_жизни             = ∞ 
 | электрический_заряд     = +1''[[Элементарный электрический заряд|e]]''<br>+1,6021766208(98){{e|−19}}&nbsp;[[Кулон|Кл]]<ref name="CODATA allascii" />
 | лептонное_число         = −1
 | барионное_число         = 0
 | спин                    = 1/2
 | изотопический_спин      = 0
 | внутренняя_чётность     = −1
 | B−L                     = +1
 | слабый_гиперзаряд       = +1 (правая [[Хиральность (физика)|хиральность]]),<br> +2 (левая хиральность)
 | слабый_изоспин_3        = +1/2 (правая [[Хиральность (физика)|хиральность]]),<br> 0 (левая хиральность)
 | магнитный_момент        = +9,274009994(57){{e|−24}} [[Джоуль (единица)|Дж]]/[[Тл]]
 | теоретически_обоснована = [[Дирак, Поль Адриен Морис|П. Дирак]] (1928)
 | обнаружена              = [[Андерсон, Карл Дейвид|К. Д. Андерсон]] (1932)
}}

'''Позитро́н''' (от {{lang-en|'''posit'''ive}} «положительный» + {{lang-en2|elect'''ron'''}} «электрон») — [[Античастицы|античастица]] [[электрон]]а. Относится к [[антивещество|антивеществу]], имеет [[электрический заряд]] +1, [[спин]] {{frac|1|2}}, [[лептонный заряд]] −1 и [[масса|массу]], равную массе электрона. При [[аннигиляция|аннигиляции]] позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) [[гамма-квант]]ов.

Позитроны возникают в одном из видов [[радиоактивный распад|радиоактивного распада]] ([[позитронная эмиссия]]), а также при взаимодействии [[фотон]]ов, энергия которых больше 1,022 МэВ, с [[вещество]]м. Последний процесс называется «[[рождение пар|рождением пар]]», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем [[атомное ядро|ядра]], образует одновременно [[электрон]] и позитрон. Также позитроны способны возникать в процессах [[Рождение электрон-позитронных пар в электрическом поле|рождения электрон-позитронных пар в сильном электрическом поле]].

== Открытие ==
Существование позитрона впервые было предположено в [[1928 год]]у<ref>{{Cite web |url=http://www.college.ru/physics/courses/op25part2/content/chapter6/section/paragraph9/theory.html |title=6.9. Элементарные частицы |accessdate=2007-04-24 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070928060836/http://www.college.ru/physics/courses/op25part2/content/chapter6/section/paragraph9/theory.html |archivedate=2007-09-28 |deadlink=yes }}</ref> [[Дирак, Поль Адриен Морис|Полем Дираком]]. Теория Дирака описывала не только [[электрон]] с отрицательным [[электрический заряд|электрическим зарядом]], но и аналогичную частицу с положительным зарядом. Отсутствие такой частицы в природе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Зато открытие позитрона явилось триумфом теории.

В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия, равная энергии покоя этих частиц, {{nobr|2×0,511 МэВ}}. Поскольку были известны естественные [[радиоактивность|радиоактивные вещества]], испускавшие [[гамма-квант|γ-кванты]] с энергией больше {{nobr|1 МэВ}}, представлялось возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают.

Позитрон был открыт в [[1932 год]]у американским физиком [[Андерсон, Карл Дейвид|Андерсоном]] при наблюдении [[космическое излучение|космического излучения]] с помощью [[камера Вильсона|камеры Вильсона]], помещённой в [[магнитное поле]]. Он сфотографировал следы частиц, которые очень напоминали следы электронов, но имели изгиб под действием магнитного поля, противоположный следам электронов, что свидетельствовало о положительном электрическом заряде обнаруженных частиц. Вскоре после этого открытия, также с помощью камеры Вильсона, были получены фотографии, проливавшие свет на происхождение позитронов: под действием γ-квантов вторичного космического излучения позитроны рождались в парах с обычными электронами. Такие свойства вновь открытой частицы оказались в поразительном согласии с уже имевшейся релятивистской теорией электрона Дирака. В [[1934 год]]у [[Жолио-Кюри, Ирен|Ирен]] и [[Жолио-Кюри, Фредерик|Фредерик]] Жолио-Кюри во [[Франция|Франции]] открыли ещё один источник позитронов — [[позитронный распад|β<sup>+</sup>-радиоактивность]].

Название «позитрон» придумал сам Андерсон. Андерсон также предлагал переименовать [[электрон]]ы в «негатроны»; этот термин в отношении электронов по-прежнему используют в случаях, когда электроны и позитроны рассматриваются совместно<ref>{{статья|автор=Beuermann K. P. et al.|заглавие=Cosmic-Ray Negatron and Positron Spectra Between 12 and 220 MeV|издание=Phys. Rev. Lett.|volume=22|pages=412–415|год=1969|doi=10.1103/PhysRevLett.22.412|язык=en}}<br>{{статья|автор=Ejiri H. |заглавие=Difference between Log ''ft'' Values of Negatron Decays and Positron Decays from Odd-Odd Nuclei to Even-Even Nuclei|издание=J. Phys. Soc. Jpn.|volume=22|год=1967|pages=360—367|doi=10.1143/JPSJ.22.360|язык=en}}</ref>; в этих случаях термин «электрон» часто относят к обеим частицам — электрону (негатрону) и позитрону<ref>Из статьи {{статья|автор=Skibo J. G., Ramaty R. |заглавие=Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons|издание=23rd International Cosmic Ray Conference|volume=2|pages=132—135|год=1993|bibcode=1993ICRC....2..132S|язык=en}}: «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».</ref>.

Позитрон оказался первой открытой [[античастицы|античастицей]]. Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам теории Дирака, которая могла быть обобщена на другие частицы, указывали на возможность парной природы всех элементарных частиц и ориентировало последующие физические исследования. Такая ориентация оказалась необычайно плодотворной, и в настоящее время парная природа элементарных частиц является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.

== Аннигиляция ==
[[Файл:Positronium-ru.svg|thumb|200px|Строение позитрония. [[Электрон]] и позитрон обращаются вокруг их общего [[центр масс|центра масс]].]]
Из теории Дирака следует, что электрон и позитрон при столкновении должны [[Аннигиляция|аннигилировать]] с освобождением энергии, равной полной энергии сталкивающихся частиц. Оказалось, что этот процесс происходит главным образом после торможения позитрона в веществе, когда полная энергия двух частиц равна их энергии покоя {{nobr|1,0221 МэВ.}} На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов (фотонов)с энергией по {{nobr|0,511 МэВ,}} разлетавшихся в прямо противоположных направлениях от мишени, облучавшейся позитронами. Необходимость возникновения при аннигиляции электрона и позитрона не одного, а как минимум двух γ-квантов вытекает из [[закон сохранения импульса|закона сохранения импульса]]. Суммарный импульс в [[система центра масс|системе центра масс]] позитрона и электрона до процесса аннигиляции равен нулю, но если бы при аннигиляции возникал только один γ-квант, он бы уносил импульс, который не равен нулю в любой [[система отсчёта|системе отсчёта]].

С [[1951 год]]а известно, что в некоторых [[аморфное тело|аморфных телах]], [[жидкость|жидкостях]] и [[газ]]ах позитрон после торможения в значительном числе случаев сразу не аннигилирует, а образует на короткое время связанную с электроном систему, получившую название [[позитроний]]. Позитроний в смысле своих химических свойств аналогичен атому [[водород]]а, так как представляет собой систему, состоящую из единичных положительного и отрицательного электрических зарядов и может вступать в [[химическая реакция|химические реакции]]. Поскольку электрон и позитрон — разные частицы, и [[Принцип Паули|принцип запрета Паули]] для них неприменим, то в связанном состоянии с наинизшей энергией они могут находиться не только с антипараллельными, но и с параллельными [[спин]]ами, равными по модулю {{frac|1|2}}. В первом случае полный спин позитрония {{nobr|{{math|''s''}} {{=}} +{{frac|1|2}} − {{frac|1|2}} {{=}} 0}}, что соответствует ''парапозитронию'', а во втором {{nobr|{{math|''s''}} {{=}} +{{frac|1|2}} + {{frac|1|2}} {{=}} 1}}, что соответствует ''ортопозитронию''. Интересно, что аннигиляция электрон-позитронной пары в составе ортопозитрония не может сопровождаться рождением двух γ-квантов. Два γ-кванта уносят друг относительно друга [[Момент импульса|моменты импульса]] равные 1, и могут составить полный момент, равный нулю или двойке, но не единице. Поэтому аннигиляция в этом случае сопровождается испусканием трёх γ-квантов с суммарной энергией {{nobr|1,022 МэВ.}} Образование ортопозитрония в три раза более вероятно, чем парапозитрония, так как отношение статистических весов {{nobr|(2{{math|''s''}} + 1)}} обоих состояний позитрония равно 3:1. Однако даже в телах с большим процентом {{nobr|(до 50 %)}} аннигиляции пары в связанном состоянии, то есть после образования позитрония, преимущественно появляются два γ-кванта и лишь очень редко три. Дело в том, что время жизни парапозитрония около {{nobr|10<sup>−10</sup> с,}} а ортопозитрония — около {{nobr|10<sup>−7</sup> с.}} Долгоживущий ортопозитроний, непрерывно взаимодействующий с атомами среды, не успевает аннигилировать с испусканием трёх γ-квантов прежде, чем позитрон, входящий в его состав, аннигилирует с посторонним электроном в состоянии с антипараллельными спинами и с испусканием двух γ-квантов.

Возникающие при аннигиляции остановившегося позитрона два гамма-кванта несут энергию по {{nobr|511 кэВ}} и разлетаются в строго противоположных направлениях. Измерение направления разлёта фотонов позволяет определить положение точки, в которой произошла аннигиляция, и используется в [[позитрон-эмиссионная томография|позитрон-эмиссионной томографии]].

В 2007 году экспериментально доказано существование связанной системы из двух позитронов и двух электронов ([[молекулярный позитроний]]), химически соответствующий молекуле водорода Н<sub>2</sub>. Такая молекула распадается ещё быстрее, чем атомарный позитроний.

== Позитроны в природе ==
Считается, что в первые мгновения после [[Большой взрыв|Большого взрыва]] количество позитронов и электронов во Вселенной было примерно одинаково, однако при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, тепловые фотоны постоянно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём [[рождение пар|рождения электрон-позитронных пар]] (такие условия существуют и сейчас в недрах горячих звёзд). После охлаждения вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с избытком электронов.

В космосе позитроны рождаются при взаимодействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц [[космические лучи|космических лучей]], а также при распаде некоторых типов этих частиц (например, положительных [[мюон]]ов). Таким образом, часть первичных космических лучей составляют позитроны, так как в отсутствие электронов они стабильны. В некоторых областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии 511 кэВ, доказывающие присутствие позитронов.

В солнечном термоядерном [[pp-цикл]]е (а также в [[CNO-цикл]]е) часть реакций сопровождается эмиссией позитрона, который немедленно аннигилирует с одним из электронов окружения; таким образом, часть солнечной энергии выделяется в виде позитронов, и в ядре Солнца всегда присутствует некоторое их количество (в равновесии между процессами образования и аннигиляции).

Некоторые природные радиоактивные ядра (первичные, радиогенные, космогенные) испытывают бета-распад с [[позитронная эмиссия|излучением позитронов]]. Например, часть распадов природного изотопа [[Калий-40|<sup>40</sup>K]] (около 0,001 % случаев)<ref>{{статья|автор=Engelkemeir D. W., Flynn K. F., Glendenin L. E.|заглавие=Positron Emission in the Decay of K<sup>40</sup>|издание=[[Physical Review]]|год=1962|том=126 |выпуск=5|номер=|страницы=1818 |ссылка=|doi=10.1103/PhysRev.126.1818 |arxiv=|bibcode=1962PhRv..126.1818E|язык=en}}</ref> происходит именно по этому каналу. Кроме того, гамма-кванты с энергией более 1,022 МэВ, возникающие при радиоактивных распадах, могут [[Рождение пар|рождать электрон-позитронные пары]], взаимодействуя с веществом.

При взаимодействии электронного [[антинейтрино]] (с энергией больше 1,8 МэВ) и [[протон]]а происходит реакция [[обратный бета-распад|обратного бета-распада]] с образованием позитрона: <math>p^+ + \bar{\nu}_e \rightarrow n^0 + e^+.</math> Такая реакция происходит в природе, поскольку существует поток антинейтрино с энергией выше порога обратного бета-распада, возникающих, например, при [[бета-распад]]е природных радиоактивных ядер.

== См. также ==
* [[Электрон]]
* [[Позитроний]]
* [[Антивещество]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
{{Навигация|Тема=Позитрон|Викисловарь=позитрон}}
* Все известные свойства позитрона систематизированы в обзоре Particle Data Group [http://pdg.lbl.gov/2007/listings/s003.pdf].
* Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М. [[Атомиздат]], 1971.

{{Квантовая электродинамика}}
{{Частицы}}
{{Внешние ссылки}}

[[Категория:Антивещество]]
[[Категория:Лептоны]]
[[Категория:Стандартная модель]]
[[Категория:Заряженные частицы]]
[[Категория:Стабильные элементарные частицы]]
[[Категория:Заряженные элементарные частицы]]