聊粒子-正电子的发现

26 1月

光子被发现后,当时就有人说:“物理将6个月内完结”。

逻辑是这样的:人们当时已发现的4种基本粒子已经可以完美解释世界了。光子构成无形的电磁波,质子中子电子构成有形的物质,而且分别带正电,不带电,带负电,多么对称和完美。

爱因斯坦的相对论奠定了宏观世界全新的时空观,狄拉克的狄拉克方程奠定了微观世界的量子力学。

一切都是那么对称,所以“物理学将6个月内完结”,不是说物理领域再也没有任何新知识要学了,而是认为物理学这座大厦已经构建完成,今后只需要在这个物理学框架下继续精耕细作,但整个宇宙的运行规律已经尽在掌握。

当时看起来这逻辑也没啥大毛病。

第一个突破就是人类发现了反物质,知道了基本粒子远远不止已发现的4种。

电子是带负电的,它的反物质就是正电子。正电子的质量,电量,自旋都与电子相同,区别就是带正电。

首先预言正电子存在的是量子力学大神保罗.狄拉克(1902-1984)

一些常识的背后其实是有各种意义的。

例如“看”这个动作背后是光子的运动,“能量守恒”是时间平移对称,“白色”是红绿蓝三色叠加,虚数是实数在直角坐标轴上的90度逆旋转等。

那负数在物理中的意义是什么?

没人想过这个问题。4开根号等于±2,通常我们会将负2舍弃,因为没有实际意义。狄拉克就想负数会不会也存在实际意义?

先说下量子力学的背景知识。最开始原子核之父卢瑟福提出了原子轨道行星模型:

玻尔(1885-1962)在此基础上做了完善。玻尔认为电子有好几条轨道,离原子核近的轨道能量低,离原子核远的轨道能量低。因此轨道的学名叫“能级”。最近的轨道记做 n=1,依次往外类推 n=2,3…

电子只能在这几条轨道上运行,其他地方不允许。而且这几条轨道是不连续的。

什么叫不连续?就是电子从一条轨道到另一条轨道,不能平缓地过去,只能瞬移,sou~的一下就过去了,学名叫“能量跃迁”

电子从高能级去往低能级,例如从 n=3 轨道要向内跃迁到 n=2 的轨道上,电子的能量就变低了,多余的能量通过电磁波的形式向外辐射出去。反之,电子从低能级去往高能级,就要向外吸收能量,才能完成跃迁。

既然离原子核近的轨道能量低,我们都知道能量越低越稳定,能量总是趋于从高处往低处发展,就像水往低处流一样。那为何电子不全挤在离原子核最近的 n=1 的轨道上呢?

泡利(1900-1958)给出了答案,就是“泡利不相容原理”。就是说每个轨道一共就这几个位置,先到先得。

例如 n=1 的最内圈轨道只有2个位置,被2个电子占满后,第三个电子只能处在 n=2 的轨道上。

现在大神狄拉克就想,电子轨道n是有实际物理意义的,但都是正数。最内圈轨道 n=1 也是正能量。有没有可能存在负能态的电子轨道呢?

正能级的电子带负电荷,负能级的电子就带正电荷,两者相遇就会湮灭。那负能级的电子在哪里?

狄拉克猜想在真空里,根据泡利不相容原理,真空里的轨道已经被负能级的电子填满了,所以日常生活中观测到的正常电子不能跌落到负能态的轨道上,这个真空理论狄拉克起名叫“狄拉克海”

负能态轨道的电子和普通电子一样,也可以进行跃迁。如果吸收了一个电子的能量,相互湮灭能量归0。

如果吸收了两个电子的能量,负能态轨道的电子就能跃迁到正能态轨道上,相当于狄拉克海中冒出了一个正常的带负电的电子,此时在真空中就会留下一个坑,这个坑就是狄拉克海中的真实的粒子,它带有正电荷。

狄拉克在1931年发表论文预测了这个新粒子,起名叫“反电子”(开始还不叫“正电子”)。

需要提一下的是,其实早于狄拉克预言正电子之前,我国的赵忠尧(1902-1998)先生就差点发现了正电子。

赵忠尧先生毕业于东南大学,后留学美国的加州理工学院,师从诺贝尔物理学奖得主密立根。

当时人们已经知道质子和电子结合,会产生一个新粒子并放出γ射线。γ射线通过物质时,会和物质内的电子发生碰撞损耗部分能量。或者说γ射线的能量被物体吸收了一部分,以不同的散射角散射出来,就是康普顿效应。

但康普顿只提出了这个现象,还没有定量。具体γ射线被物体吸收了多少能量呢?

瑞士物理学家克莱因和日本物理学家仁科芳雄给出了克莱因-仁科方程,根据不同物体的吸收系数,能从理论上计算出γ射线被吸收了多少能量。

赵忠尧先生当时研究的方向就是测量γ射线对不同物质的吸收系数,来验证克莱因-仁科方程的正确性。

赵忠尧先生用2.5MeV的γ射线进行测量,发现克莱因-仁科方程只适用于较轻的元素,遇到较重的元素,例如铅,就不行了。(eV是电子伏特,就是能量单位,表示一个电子通过1伏特的电位差加速后获得的能量)

测量出来的吸收能量的值比通过克莱因-仁科方程计算出来的值要大40%,这就不是一般的实验误差了,赵忠尧先生将这个现象起名为“反常吸收”

赵忠尧先生继续测量,发现不仅吸收能量的值不对,辐射出来的能量也不对。按常理γ射线和电子碰撞后,电子吸收了能量,辐射出来的γ射线的能量就应该减小,能量守恒嘛。结果不减反增多了0.5MeV,近似一个光子的能量,起名“额外辐射”

赵忠尧先生将结果发表在了1930年的《物理评论》上,比狄拉克的预言的正电子时间要早。

其实赵忠尧先生发现的真实物理描述应该是这样的:

γ射线打过来,会在铅原子核周围产生一个正负电子对,所以γ射线能量就减少了,看起来就是物质吸收了能量,就是“反常吸收”。

然后正负电子对迅速湮灭,变成了光子和γ射线一起辐射出来,导致了“额外辐射”。

赵忠尧先生是最早观察到正负电子对湮灭的人,也是人类第一个发现反物质的科学家。如果继续研究下去,没准不到1931年在狄拉克预言之前就能发现正电子。可惜1931年918事变,赵忠尧先生选择回国报效祖国,与诺贝尔物理学奖擦肩而过。

在国内,先后担任清华大学物理系教授,中科大物理系主任,并主持建立了中国第一个核物理实验室。是我国著名的核物理学家,中国科学院院士。

最终狄拉克预言的15个月后,美国物理学家安德森(1905-1991)在实验中找到了正电子。

安德森是赵忠尧的同学,研究宇宙射线辐射到云室里留下来的轨迹。

宇宙射线这名字有误解,听上去像电磁波。其实宇宙射线99.99%都是高能原子核,就是粒子,叫射线是因为老一辈流传下来的,懒得改了。

你只要知道宇宙射线不是电磁波,是粒子束就行了。

这些粒子中有89%都是质子就是氢原子核。10%是氦原子核也就是α粒子,剩下少量的就是重元素的原子核和β射线。主要来源就是太阳等恒星,不断向外喷射粒子。

这些粒子束经过恒星磁场的加速后,速度和能量都非常高,在没有加速器的时代,研究高能粒子,主要就是靠宇宙射线。

安德森用的云室有很强的带电磁场,发现如果宇宙射线里有带电粒子,在云室里就会形成偏转的曲线。其中有一束和电子轨迹很像,唯一不同的是偏转方向是反的,说明带正电,但肯定不是质子束,质子虽然带正电,但轨迹和电子轨迹差太多。

安德森于1932年发布论文宣称发现了正电子,并获得了1936年的诺贝尔物理学奖

预言正电子的狄拉克并没有因此获得诺奖,大神因为狄拉克方程已经与1933年获得了诺贝尔物理学奖,预言正电子这种小成就对大神来说不值一提。虽然后来随着量子场论的出现,狄拉克海被抛弃了,但不能掩盖狄拉克的成就。

发现正电子为人类开辟了一条新的道路,就是找反粒子。后来陆续找到反质子,反中微子等。

因为自然界中到处都是电子,正电子一遇到电子就会相互湮灭,所以要捕获正电子非常困难。

1990年华盛顿大学物理学者德莫尔特宣布捕获了一个正电子,并让它存活了3个月之久。用的正是朱棣文(1948-至今)发明的“激光冷却”技术,朱棣文也因此获得1997年诺贝尔物理学奖

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注