Позитрон

Позитрон — это элементарная частица, являющаяся античастицей электрона. Относится к классу антилептонов, имеет такую же массу, как у электрона, но противоположный электрический заряд (+1 элементарный заряд) и противоположный знак лептонного числа. При столкновении позитрона с электроном происходит их аннигиляция с выделением энергии в виде гамма-квантов. Позитрон является первым экспериментально обнаруженным античастицей (1932 год).

История открытия

Теоретическое предсказание

Существование позитрона было предсказано в 1928 году британским физиком Полем Дираком. В рамках релятивистской квантовой механики он вывел уравнение (уравнение Дирака), описывающее поведение электрона при скоростях, близких к скорости света. Решение этого уравнения давало как положительные, так и отрицательные значения энергии. Для объяснения отрицательных энергетических состояний Дирак предположил существование «дырок» в вакууме — областей с отсутствием электрона в море отрицательных энергий, которые ведут себя как частицы с положительным зарядом и массой электрона. Первоначально Дирак ошибочно полагал, что такой частицей может быть протон, однако вскоре выяснилось, что масса протона значительно больше.

Экспериментальное обнаружение

Позитрон был экспериментально открыт в 1932 году американским физиком Карлом Андерсоном при изучении космических лучей с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле. Андерсон наблюдал треки частиц, которые по кривизне и направлению отклонения соответствовали положительно заряженным частицам с массой, равной массе электрона. Он назвал новую частицу «позитроном» (от англ. positive electron — положительный электрон). За это открытие Карл Андерсон получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году.

Характеристики и свойства

Основные параметры

• Масса: 9,1093837015 × 10⁻³¹ кг, что эквивалентно 0,511 МэВ/с² (равна массе электрона).
• Электрический заряд: +1,602176634 × 10⁻¹⁹ Кл (положительный элементарный заряд).
• Спин: 1/2 (фермион, подчиняется статистике Ферми — Дирака).
• Лептонное число: −1 (для электрона +1).
• Время жизни: стабилен в вакууме, но в присутствии вещества аннигилирует с электронами за время порядка 10⁻¹⁰ с.

Аннигиляция

При столкновении позитрона с электроном происходит их взаимное уничтожение (аннигиляция) с образованием двух или трёх гамма-квантов. В наиболее вероятном процессе (около 99,8 % случаев) рождается два фотона с энергией по 0,511 МэВ каждый, разлетающихся в противоположных направлениях. Этот процесс описывается законом сохранения энергии и импульса. Аннигиляция позитрона с электроном является одним из основных источников гамма-излучения в астрофизике и используется в медицинской диагностике.

Образование позитрония

Позитрон может образовывать связанную систему с электроном — позитроний (Ps). Это водородоподобный атом, в котором роль протона выполняет позитрон. Позитроний существует в двух состояниях: парапозитроний (спины антипараллельны, время жизни около 0,125 нс) и ортопозитроний (спины параллельны, время жизни около 142 нс). Позитроний аннигилирует с образованием гамма-квантов.

Источники позитронов

Естественные источники

• Космические лучи: при взаимодействии высокоэнергетических частиц с атмосферой Земли рождаются вторичные частицы, включая позитроны.
• Радиоактивный распад: некоторые изотопы (например, натрий-22, углерод-11, азот-13, фтор-18) испускают позитроны в процессе β⁺-распада. В этом процессе протон в ядре превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.
• Гамма-излучение: при взаимодействии гамма-квантов с энергией более 1,022 МэВ с веществом возможно рождение электрон-позитронных пар (процесс образования пар).

Искусственные источники

• Ускорители частиц: позитроны могут быть получены при бомбардировке мишеней пучками электронов или протонов высокой энергии.
• Реакторы: в ядерных реакторах позитроны образуются в результате β⁺-распада продуктов деления.
• Позитронные источники: специальные установки, использующие радиоактивные изотопы (например, натрий-22) для получения интенсивных пучков позитронов.

Применение позитронов

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

Наиболее широко позитроны применяются в медицине для диагностики методом позитронно-эмиссионной томографии. Пациенту вводится радиофармпрепарат, содержащий позитрон-излучающий изотоп (например, фтор-18 в составе фтордезоксиглюкозы). Позитроны, испускаемые изотопом, аннигилируют с электронами тканей, образуя гамма-кванты, которые регистрируются детекторами томографа. По координатам аннигиляции строится трёхмерное изображение распределения радиофармпрепарата в организме. ПЭТ используется для диагностики онкологических заболеваний, оценки метаболизма тканей, исследования функций мозга и сердца.

Материаловедение

Позитроны используются для исследования дефектов в кристаллических решётках твёрдых тел (позитронная аннигиляционная спектроскопия). Время жизни позитрона в материале зависит от наличия вакансий, дислокаций и других дефектов, что позволяет изучать структуру материалов на атомном уровне.

Фундаментальные исследования

Позитроны применяются для проверки предсказаний квантовой электродинамики, изучения свойств антиматерии, а также в экспериментах по созданию и удержанию антивещества (например, в проекте ALPHA в ЦЕРНе).

Позитрон в культуре и научной фантастике

В научной фантастике позитрон часто упоминается как основа для создания «позитронного мозга» — гипотетического вычислительного устройства, использующего аннигиляцию для обработки информации. Этот образ ввёл писатель Айзек Азимов в своих произведениях о роботах. В реальности подобные технологии не существуют и маловероятны из-за сложности управления аннигиляцией.

Источники

1. Дирак П. А. М. Принципы квантовой механики. — М.: Наука, 1979.
2. Андерсон К. Д. Позитрон // Успехи физических наук. — 1933. — Т. 13, № 4.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика: нерелятивистская теория. — М.: Физматлит, 2004.
4. Гольданский В. И. Позитрон и позитроний в химии. — М.: Наука, 1968.
5. Позитронно-эмиссионная томография: руководство для врачей / под ред. В. Д. Завадовской. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2018.