Позитрон

Получение антиматерии и ее значение

Как было сказано, античастицы электрона, протона и нейтрона способны аннигилировать со своими исходными частицами, вырабатывая при столкновении энергию. Поэтому исследования данных явлений имеют огромное значение для различных сфер науки.

Получение антивещества является крайне долгим, трудоемким и затратным процессом. Для этого строятся специальные ускорители частиц и магнитные ловушки, которые должны удерживать полученное антивещество. Антиматерия является самой дорогой субстанцией на сегодняшний день.

Если бы производство антивещества удалось поставить на поток, то человечество было обеспечено энергией на многие годы. Кроме того, антиматерию можно было применять для создания ракетного топлива, ведь, по сути, получалось бы это топливо попросту из контакта антиматерии с любым веществом.

Позитроны в природе

Считается, что в первые мгновения после 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 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 космических лучей, а также при распаде некоторых типов этих частиц (например, положительных мюонов). 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-цикле (а также в CNO-цикле) 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 излучением позитронов. Например, часть распадов природного изотопа 40K происходит именно по этому каналу. Кроме того, гамма-кванты с энергией более 1,022 МэВ, возникающие при радиоактивных распадах, могут рождать электрон-позитронные пары.

При взаимодействии электронного антинейтрино (с энергией больше 1,8 МэВ) и протона происходит реакция обратного бета-распада с образованием позитрона: p++ν¯e→n+e+.{\displaystyle p^{+}+{\bar {\nu }}_{e}\rightarrow n^{0}+e^{+}.} Такая реакция происходит в природе, поскольку существует поток антинейтрино с энергией выше порога обратного бета-распада, возникающих, например, при бета-распаде природных радиоактивных ядер.

Разница между протоном и позитроном

Определение

Протон: Протон — это субатомная частица с положительным электрическим зарядом +1.

Позитрон: Позитрон — это античастица или аналог антивещества электрона.

Протон: Масса протона составляет 1,6726 х 10.-24 г.

Позитрон: Масса позитрона 9.1094 х 10-28 г.

Протон: Атомная масса протона дана как 1,0073 АМЭ.

Позитрон: Атомная масса позитрона составляет 0,00054858 а.е.м.

Природа

Протон: Протоны являются основными субатомными частицами, которые отвечают за атомный номер химического элемента.

Позитрон: Позитроны — это античастицы электронов.

Протон: Протоны не подвергаются аннигиляции.

Позитрон: Позитроны подвергаются аннигиляции.

Заключение

Хотя и протоны, и позитроны являются положительно заряженными субатомными частицами, между ними есть различия. Основное различие между протоном и позитроном заключается в том, что масса протона (1,6726 х 10-24 г) значительно выше, чем у позитрона (9,1094 х 10-28 г).

Определение слова «Позитрон» по БСЭ:

Позитрон — (символ е+), элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Массы (me) и спины (J) П. и электрона равны, а их электрические заряды (e) и магнитные моменты(&mu._е) равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку [me = 9,10956Ч10&minus.28 г, J = Ѕ (в единицах Планка постоянной &#x127.), е = 4,80325·10&minus.10 СГСЕ единиц, &mu._е = 1,00116 (в единицах Магнетона Бора)].Теоретически существование положительно заряженного «двойника» электрона следует из Дирака уравнения. эта возможность была указана П. Дираком в 1931. В 1932 К. Д. Андерсон экспериментально обнаружил такую частицу в составе космических лучей и назвал её «П.».Открытие П. имело фундаментальное значение. В отличие от известных к середине 1932 электрона, протона и нейтрона, П. не входил в состав «обычного» вещества на Земле, возникли понятия античастицы и антивещества. Предсказанные Дираком и наблюдённые на опыте в 1933 процессы аннигиляции и рождения пар П.-электрон были первыми убедительными проявлениями взаимопревращаемости элементарных частиц.П. участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях и относится к классу лептонов. По статистическим свойствам П. является Фермионом.П. стабилен, но в веществе существует лишь короткое время из-за аннигиляции с электронами. например, в свинце П. аннигилируют в среднем за 5·10&minus.11 сек. При определённых условиях, прежде чем аннигилировать, П. и электрон могут образовать связанную систему типа атома водорода — Позитроний. время жизни такой системы порядка 10&minus.7 сек, если суммарный спин электрона и П. равен 1 (ортопозитроний), и порядка 10&minus.10 сек, если он равен 0 (парапозитроний).П. образуются при взаимопревращениях свободных элементарных частиц (например, распадах мюона, в процессах рождения &gamma.-квантами пар П.-электрон в электростатическом поле атомного ядра) и при Бета-распаде некоторых радиоактивных изотопов. П., получаемые при бета-распаде и рождении пар, используются для исследовательских целей: изучение процессов замедления П. в веществе и их последующей аннигиляции даёт разнообразную информацию о физических и химических свойствах вещества, например распределении скоростей электронов проводимости, о дефектах кристаллической решётки, о кинетике некоторых типов химических реакций. Один из методов исследования элементарных частиц при сверхвысоких энергиях основан на столкновении встречных пучков ускоренных П. и электронов (см. Ускорители на встречных пучках).Лит.: Дирак П. А. М., Принципы квантовой механики, пер. с англ., М., 1960. Новожилов Ю. В., Элементарные частицы, 3 изд., М., 1974. Гольданский В. И., Физическая химия позитрона и позитрония, М., 1968.Э. А. Тагиров.

Позитроны в природе

Кто открыл позитрон?

Впервые существование позитрона предположил английский физик Поль Дирак в 1928 году. Его гипотеза состояла в том, что электрону соответствует античастица с положительным зарядом. Кроме того, Дирак высказал предположение, что, встретившись, обе частицы исчезнут, выделив при этом большое количество энергии. Еще одной его гипотезой было то, что существует обратный процесс, при котором появляются электрон и частица, обратная ему. На фото показаны треки электрона и его античастицы

Несколько лет спустя физик Карл Андерсон (США), фотографируя частицы при помощи камеры Вильсона и изучая их треки, обнаружил следы частиц, похожих на электроны. Однако следы имели обратное искривление от магнитного поля. Следовательно, заряд их был положительным. Отношение заряда частицы к массе было таким же, как у электрона. Таким образом, теория Дирака подтвердилась экспериментально. Андерсон дал этой античастице название «позитрон». За свое открытие ученый был удостоен Нобелевской премии по физике.

Связанная система электрона и позитрона получила название «позитроний».

Что такое протон

Протон — это субатомная частица с положительным электрическим зарядом +1. Протон символизируется «р» или «р+». Протоны вместе с нейтронами образуют атомное ядро, которое является ядром атома. Электрический заряд протона составляет +1,6022 х 10.-19 С (кулон). Атомный заряд протона задан как +1. Масса протона составляет 1,6726 х 10.-24 г. Но атомная масса протона дана как 1,0073 а.е.м. (атомные единицы массы). Это обычно используется как 1 аму. Но масса протона чуть меньше нейтрона.

Атомный номер, то есть число протонов в ядре атома, химического элемента является уникальным свойством для каждого элемента. Это потому, что химический элемент распознается в соответствии с его атомным номером. Атомный номер — это общее количество протонов, присутствующих в атоме. Периодическая таблица элементов построена на основе атомных номеров химических элементов. Поэтому периодическая таблица состоит из химических элементов, расположенных в порядке возрастания протонов, присутствующих в их атомах.

Каждый атом состоит по крайней мере из одного протона. Наименьший нейтральный атом — это атом водорода. У него есть один протон. Изотопами химического элемента являются атомы, имеющие одинаковый атомный номер (число протонов) и различное количество нейтронов.

Рисунок 1: Протий является изотопом водорода, который имеет один протон и один электрон

Свободный протон оказывается стабильным. Свободный протон — это протон, который не связан с нейтронами или электронами. Свободный протон не распадается и не превращается в другие частицы самопроизвольно. Однако известно, что протоны превращаются в нейтроны с помощью процесса, называемого захватом электронов. Но это преобразование обратимо. Свободные протоны подвергаются этому преобразованию, когда требуется необходимая энергия.

п+ + е– н + ве

Античастица электрона

Первой античастицей, чье существование было предсказано, а потом доказано научно, стал позитрон.

Чтобы понять происхождение этой античастицы, стоит обратиться к строению атома. Известно, что ядро атома содержит протоны (положительно заряженные частицы) и нейтроны (частицы, не имеющие заряда). По его орбитам обращаются электроны – частицы с отрицательным электрическим зарядом.

Позитрон – античастица электрона. Она обладает положительным зарядом. В физике символ позитрона выглядит таким образом: е+ (для обозначения электрона используется символ е-). Появляется эта античастица в результате радиоактивного распада.

Область применения

Мы выяснили, что происходит при взаимодействии электрона с позитроном. Частица в настоящее время наиболее активно используется в позитронно-эмиссионной томографии, где небольшое количество радиоизотопа с коротким периодом полураспада вводится пациенту, а после небольшого периода ожидания радиоизотоп концентрируется в интересующих тканях и начинает разрушаться, выпуская позитроны. Эти частицы перемещаются на несколько миллиметров, прежде чем сталкиваются с электроном и высвобождают гамма-лучи, которые могут быть захвачены сканером. Такой метод применяется для различных диагностических целей, в том числе для изучения мозга и выявления раковых клеток по всему телу.

Итак, в этой статье мы узнали о том, что такое позитрон, когда и кем он был открыт, его взаимодействие с электронами, а также область, в которой знание о нем имеет практическую пользу.

Аннигиляция

Строение позитрония. Электрон и позитрон обращаются вокруг их общего центра масс.

Из теории Дирака следует, что электрон и позитрон при столкновении должны 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 1,0221 МэВ. На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов с энергией по 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 закона сохранения импульса. Суммарный импульс в системе центра масс позитрона и электрона до процесса превращения равен нулю, но если бы при аннигиляции возникал только один γ-квант, он бы уносил импульс, который не равен нулю в любой системе отсчёта.

С 1951 года известно, что в некоторых аморфных телах, жидкостях и газах 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 водорода, так как представляет собой систему, состоящую из единичных положительного и отрицательного электрических зарядов, и может вступать в химические реакции. Поскольку электрон и позитрон — разные частицы, то в связанном состоянии с наинизшей энергией они могут находиться не только с антипараллельными, но и с параллельными спинами. В первом случае полный спин позитрония s = 0, что соответствует парапозитронию, а во втором — s = 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 механические моменты, равные 1, и могут составить полный момент, равный нулю, но не единице. Поэтому аннигиляция в этом случае сопровождается испусканием трёх γ-квантов с суммарной энергией 1,022 МэВ. Образование ортопозитрония в три раза более вероятно, чем парапозитрония, так как отношение статистических весов (2s+1) обоих состояний позитрония 3:1. Однако даже в телах с большим процентом (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 10−10 с, а ортопозитрония — около 10−7 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 511 кэВ и разлетаются в строго противоположных направлениях. Этот факт позволяет установить положение точки, в которой произошла аннигиляция, и используется в позитрон-эмиссионной томографии.

В 2007 году экспериментально доказано существование связанной системы из двух позитронов и двух электронов (молекулярный позитроний). Такая молекула распадается ещё быстрее, чем атомарный позитроний.

Самое главное – первый шаг

Поставили цель? Теперь нужно срочно делать первый шаг к ее реализации, какой бы нереальной и неисполнимой она ни казалась. Если цель достаточно масштабна и важна для будущего, разбейте ее на несколько подцелей, так будет проще осознать фронт работ и двигаться в верном направлении. Такой способ помогает совершить как можно меньше ошибок, ведь лучше найти недочеты на начальном этапе достижения цели. Мотивация и скрытый потенциал должны быть неразрывно связаны между собой.

Аннигиляция

Строение позитрония. Электрон и позитрон обращаются вокруг их общего центра масс.

Главное отличие — Протон против Позитрона

Атомы являются строительными блоками всей материи. Атом состоит из ядра и электронного облака. Ядро содержит протоны и нейтроны наряду с некоторыми другими частицами, такими как альфа-частицы и бета-частицы. Протон — это субатомная частица, имеющая положительный электрический заряд (+1). Позитрон также является положительно заряженной субатомной частицей. Основное различие между протоном и позитроном состоит в том, что масса протона значительно выше массы позитрона.

Ключевые области покрыты

1. Что такое протон — определение, свойства 2. Что такое позитрон — определение, уничтожение3. Каковы сходства между протоном и позитроном — Краткое описание общих черт4. В чем разница между протоном и позитроном — Сравнение основных различий

Ключевые слова: аннигиляция, антиэлектрон, атомная масса, атомный номер, атомы, бета-распад, электрон, позитроны, протоны

Открытие позитрона

Ученые выяснили, что атом (эта якобы цельная и неделимая частица) состоит из электронов (отрицательно заряженных элементов), протонов и нейтронов. С тех пор как физики-ядерщики научились разгонять частицы в специальных камерах, они уже нашли более 200 различных их разновидностей, существующих в пространстве.

Так что такое позитрон? В 1931-м его появление было теоретически предсказано французским физиком Полем Дираком. В ходе решаемой релятивистской задачи он пришел к выводу, что помимо электрона в природе должна существовать точно такая же частица с идентичной массой, но только с положительным зарядом. Позднее ее назвали «позитроном».

Он имеет заряд (+1), в отличие от (-1) у электрона и аналогичную ему массу около 9,103826 × 10-31 кг.

Независимо от источника, позитрон всегда будет стремиться к «объединению» с любым ближайшим электроном.

Единственными отличиями между ними являются заряд и наличие во Вселенной, которое намного ниже, чем у электрона. Будучи антивеществом, частица входящая в контакт с обычным веществом, взрывается чистой энергией.

Выяснив, что такое позитрон, ученые пошли дальше в своих опытах, позволив космическим лучам проходить через камеру Вильсона, экранированную свинцом и установленную в магнитном поле. Там можно было наблюдать пары электрон-позитронов, которые иногда создавались, а после появления продолжали перемещаться в противоположных направлениях в пределах магнитного поля.

Теперь понятно, что такое позитрон. Подобно своему отрицательному двойнику, античастица реагирует на электромагнитные поля и может храниться в замкнутом пространстве с использованием методов конфайнмента. Кроме того, она умеет соединяться с антипротонами и антинейтронами, чтобы создать антиатомы и антимолекулы.

Позитроны существуют с низкой плотностью во всей космической среде, поэтому некоторыми энтузиастами были даже предложены методы сбора антиматерии для использования ее энергии.

Антипротон и антинейтрон

Логично предположить, что раз античастица электрона существует в природе, то и у других фундаментальных частиц должны иметься античастицы. Антипротон и антинейтрон были обнаружены в 1955 и 1956 годах соответственно. Антипротон имеет отрицательный заряд, антинейтрон заряда не несет. Открытые античастицы называются антинуклоны. Таким образом, антивещество имеет следующий вид: ядра атомов состоят из антинуклонов, а по орбите вокруг ядра обращаются позитроны.

В 1969 году в СССР был впервые получен изотоп антигелия.

В 1995 в Церне (европейской лаборатории ядерных исследований) был выработан антиводород.

Открытие

Существование позитрона впервые было предположено в 1928 годуПолем Дираком. Теория Дирака описывала не только электрон с отрицательным 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, 2×0,511 МэВ. Поскольку были известны естественные радиоактивные вещества, испускавшие γ-кванты с энергией больше 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 году американским физиком Андерсоном при наблюдении космического излучения с помощью 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 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри во Франции открыли ещё один источник позитронов — β+-радиоактивность.

Название «позитрон» придумал сам Андерсон. Андерсон также предлагал переименовать электроны в «негатроны»; этот термин в отношении электронов по-прежнему используют в случаях, когда электроны и позитроны рассматриваются совместно; в этих случаях термин «электрон» часто относят к обеим частицам — электрону (негатрону) и позитрону.

Позитрон оказался первой открытой 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.