[科普中國(guó)]-反電子

反電子，又稱(chēng)陽(yáng)電子、正電子、正子，基本粒子的一種，帶正電荷，質(zhì)量和電子相等，是電子的反粒子。最早是由狄拉克從理論上預(yù)言的。1932年8月2日，美國(guó)加州理工學(xué)院的安德森等人向全世界莊嚴(yán)宣告，他們發(fā)現(xiàn)了正電子。正電子的發(fā)現(xiàn)是利用云霧室來(lái)觀測(cè)的。在云霧室中充入過(guò)飽和的乙醚氣，當(dāng)物質(zhì)放射出正電子時(shí)，正電子穿過(guò)云霧室，在正電子運(yùn)行軌道中出現(xiàn)液滴線(xiàn)，通過(guò)外加磁場(chǎng)測(cè)量正電子的偏轉(zhuǎn)方向及半徑就可以知道它的帶電符號(hào)，及荷質(zhì)比（帶電量與質(zhì)量的比值）從而確定正電子的性質(zhì)。正電子的發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了反物質(zhì)領(lǐng)域的研究。

簡(jiǎn)介根據(jù)基本粒子的分類(lèi)，反電子是輕子，它的自旋為1/2，遵守費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)，參加電磁相互作用、弱相互作用和萬(wàn)有引力作用，但不參加強(qiáng)相互作用。因此反電子和電子的基本物理性質(zhì)如下表所示。

反電子是反物質(zhì)，遇電子會(huì)發(fā)生湮沒(méi)，因此它不天然存在，往往用人工辦法產(chǎn)生。一種方法是通過(guò)加速器或反應(yīng)堆，利用核反應(yīng)生成缺中子放射源，如22Na，64Cu，58Co等等。另外是通過(guò)高能光子的電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生反電子。如利用高能電子直線(xiàn)加速器產(chǎn)生的電子打在W靶上，當(dāng)高能電子產(chǎn)生的韌致輻射能量大于1.022 MeV，即正、負(fù)電子靜止質(zhì)量之和時(shí)，可以產(chǎn)生一對(duì)電子和反電子。當(dāng)然，為了能量守恒.該反應(yīng)必須在原子核附近進(jìn)行，它用來(lái)吸收了射線(xiàn)的反沖動(dòng)量。下圖為利用高能電子產(chǎn)生的韌致輻射來(lái)產(chǎn)生反電子的原理圖。1

發(fā)現(xiàn)過(guò)程J.J.湯姆森在1897年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)基本粒子-電子，電子是負(fù)電子的通俗簡(jiǎn)稱(chēng)，并于1906年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)人們憑著一般的認(rèn)識(shí)，負(fù)電子應(yīng)當(dāng)有其對(duì)應(yīng)物-帶正電荷的電子存在，而且在那時(shí)德國(guó)先后有幾位物理學(xué)家一直在尋找與陰極射線(xiàn)相對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極射線(xiàn)，但是都沒(méi)有得到希望的結(jié)果。J.J.湯姆森發(fā)現(xiàn)負(fù)電子之后幾年，就試圖通過(guò)陽(yáng)極射線(xiàn)發(fā)現(xiàn)反電子，甚至將善于做實(shí)驗(yàn)的阿斯頓（F.W.Aston）從伯明翰大學(xué)調(diào)來(lái)，幫助他做有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)，大約從1903年起花了10年的時(shí)間，除去F.W.阿斯頓在這個(gè)過(guò)程中摸索到制作質(zhì)譜儀以檢測(cè)各種元素的同位素之外，未得到什么結(jié)果。

盧瑟福甚至在1914年發(fā)表的幾次講演“原子結(jié)構(gòu)與元素的演化中，都只有把原子核看成氫原子核和電子組成的，把氫原子核（即后來(lái)說(shuō)的質(zhì)子）稱(chēng)為反電子，雖然它的質(zhì)量約為電子的1800多倍，并把電子和氫原子核看作組成一切元素的最基本粒子。但是，隨著他發(fā)現(xiàn)人工氮原子核分裂之后，在深入研究原子核的過(guò)程中，特別在研究氫和氦具有同位素及其原子結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，越來(lái)越感到質(zhì)子不能看成正電的基本單位，而且它與負(fù)電子并不是對(duì)應(yīng)物。1922年5月，他在電氣工程學(xué)會(huì)做的第13次開(kāi)爾文講演《電和物質(zhì)》中，改變了想法，提出反電子應(yīng)當(dāng)是負(fù)電子的對(duì)應(yīng)物，而不是質(zhì)子，其質(zhì)量應(yīng)與負(fù)電子相同。然而到那時(shí)卻未找到它存在的起碼證據(jù)，但是可以認(rèn)為比氫原子核小得多的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的正電單位是可能發(fā)現(xiàn)的，因而預(yù)言了反電子。

1928年著名理論物理學(xué)家R.H.否勒（R.H.Fowler）的研究生P.A.M.狄拉克（P.A.M.Dirac）發(fā)表的相對(duì)論性量子力學(xué)的論文中，提出了與負(fù)電子對(duì)應(yīng)的“空穴”的理論，他說(shuō)的所謂空穴就是反電子，由于他們的辦公室設(shè)在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室邊上，R.H.否勒又是盧瑟福的女婿，所以他們與該室的實(shí)驗(yàn)配合進(jìn)行合作研究，自然知道反電子的預(yù)言。關(guān)于它與盧瑟福預(yù)言的反電子的關(guān)系，有兩種說(shuō)法，一種認(rèn)為二者無(wú)關(guān)，是純理論推導(dǎo)的結(jié)果。一種認(rèn)為那是他在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室受到盧瑟福預(yù)言反電子的啟示，才在理論上表現(xiàn)出來(lái)的。也有不少人認(rèn)為正是P.A.M.狄拉克的“空穴”才啟發(fā)了美國(guó)物理學(xué)家c.D.安德森在研究宇宙射線(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了反電子。在193l—

1932年，他在加州理工學(xué)院做研究生時(shí)，在R.A.密里根指導(dǎo)下研究宇宙射線(xiàn)。我國(guó)著名物理學(xué)家趙忠堯先生在1930年也在該校做R.A.密里根的研究生，但比C.D.安德森高一年級(jí)，他用統(tǒng)計(jì)方法發(fā)現(xiàn)了Y射線(xiàn)的反常散射現(xiàn)象，由于當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)電子，所以他不了解實(shí)際上這就是后來(lái)人們了解的正負(fù)電子對(duì)的湮沒(méi)現(xiàn)象。與他鄰屋工作的C.D.安德森有時(shí)到他的屋中看他做實(shí)驗(yàn)，從中受到啟發(fā)，用云室檢查宇宙線(xiàn)組成，從中意外地發(fā)現(xiàn)了反電子。因此他1981年發(fā)表的《回顧圖書(shū)與指南》一文中說(shuō)，趙忠堯發(fā)現(xiàn)的γ射線(xiàn)被吸收和反常散射現(xiàn)象的結(jié)果使他大感興趣，決心制造一臺(tái)可在磁場(chǎng)中操作的云室，以研究γ射線(xiàn)產(chǎn)生的次級(jí)電子。這個(gè)說(shuō)法的根據(jù)是反電子和負(fù)電子相遇會(huì)中和而湮沒(méi)并釋放出帶較大能量的一種電磁波，即7射線(xiàn)。反之，7射線(xiàn)在吸收一定的能量條件下會(huì)變成反電子和負(fù)電子，并且可用云室檢測(cè)出來(lái)。

幾乎與C.D.安德森同時(shí)，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的P.M.S.布萊克特也像J.查德威克一樣，按照盧瑟福的上述預(yù)言尋找反電子的蹤跡，按照狄拉克的說(shuō)法與空穴理論無(wú)關(guān)。那時(shí)，他在盧瑟福指導(dǎo)下，用蓋革計(jì)數(shù)器與云室相連，形成符合電路的計(jì)數(shù)器自動(dòng)控制云室操作，當(dāng)將它放在強(qiáng)電磁場(chǎng)中并使宇宙射線(xiàn)通入時(shí)，發(fā)現(xiàn)宇宙射線(xiàn)粒子的徑跡偏斜，并將之拍照下來(lái)，在1932年8月21日發(fā)現(xiàn)了叮射線(xiàn)衰變成的正負(fù)電子對(duì)。到次年2月初，他證實(shí)了與負(fù)電子而不是與質(zhì)子的質(zhì)量相一致的帶正電粒子的存在。盧瑟福在1933年2月7日正式通知皇家學(xué)會(huì)，P.M.S.布萊克特的論文《穿透性徑跡的拍照》不久在《皇家學(xué)會(huì)議事錄》上發(fā)表。顯然，C.D.安德森和P.M.S.布萊克特完全是在彼此無(wú)關(guān)的情況下獨(dú)立發(fā)現(xiàn)反電子的，而且C.D.安德森在1981年10月發(fā)表的上述回憶文章的收尾處，還特別注明他的論文準(zhǔn)備印刷時(shí)，他得到報(bào)告說(shuō)P.M.S.布萊克特等已經(jīng)取得反電子存在的證據(jù)。據(jù)有的史料記載，在P.M.S.布萊克特等取得反電子存在的初步結(jié)果時(shí)，盧瑟福讓他們不要急于發(fā)表，要仔細(xì)檢查一下，使之穩(wěn)妥可靠，因而貽誤了時(shí)問(wèn)，以致后來(lái)獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)時(shí)，C.D.安德森被作為發(fā)現(xiàn)者，而P.M.S.布萊克特則被看作驗(yàn)證者，盡管兩者都與預(yù)言的作用有關(guān)。但是P.M.S.布萊克特的工作卻是按盧瑟福的預(yù)言有意識(shí)地用盧瑟福的方法和研究路線(xiàn)作出的，反電子的發(fā)現(xiàn)再次證實(shí)了盧瑟福的深邃洞察力和指導(dǎo)科學(xué)研究的突出才能。2

產(chǎn)生光子轉(zhuǎn)變?cè)赥=5×109K的溫度下光子可以較高程度的反應(yīng)生成正負(fù)電子對(duì)，體系熱平衡時(shí)反電子數(shù)量和光子數(shù)量大致相等。

核聚變恒星們主要的核反應(yīng)就會(huì)釋放出反電子，比如我們的太陽(yáng)，其中每時(shí)每刻都在發(fā)生如下反應(yīng)：四個(gè)質(zhì)子聚合成1個(gè)氦核，同時(shí)釋放出兩個(gè)電子中微子和兩個(gè)反電子。

衰變比如放射性同位素磷30就會(huì)通過(guò)正β衰變釋放反電子。

其他方法利用能量高于1兆電子伏的γ射線(xiàn)輻射鉛板、薄金屬箔、氣態(tài)媒質(zhì)等都有可能觀察到反電子的出現(xiàn)。

反電子發(fā)射斷層成像反電子發(fā)射斷層成像（PositronEmissionTomography）系統(tǒng)是利用反電子同位素衰變產(chǎn)生出的反電子與人體內(nèi)負(fù)電子發(fā)生湮滅效應(yīng)這一現(xiàn)象，通過(guò)向人體內(nèi)注射帶有反電子同位素標(biāo)記的化合物，采用符合探測(cè)的方法，探測(cè)湮滅效應(yīng)所產(chǎn)生的γ光子，得到人體內(nèi)同位素的分布信息，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行重建組合運(yùn)算，從而得到人體內(nèi)標(biāo)記化合物分布的三維斷層圖像。

PET是直接對(duì)腦功能造影的技術(shù)，其基本原理是：給被試注射含放射性同位素的示蹤物，同位素放出的反電子，與腦內(nèi)的負(fù)電子發(fā)生湮滅而釋放出γ-射線(xiàn)。通過(guò)記錄γ-射線(xiàn)在大腦中的位置分布，可以測(cè)量區(qū)域腦代謝率（rCMR）和區(qū)域腦血流（rCBF）的改變，以此反映大腦的功能活動(dòng)變化。

PET可用于精神分裂癥、抑郁癥、毒品成癮癥等的鑒別診斷、了解患者腦代謝情況及功能狀態(tài)，如精神分裂癥患者額葉、顳葉、海馬基底神經(jīng)節(jié)功能異常等。應(yīng)用PET顯像，可以測(cè)定腦內(nèi)多巴胺等多種受體，從分子的水平上揭示了疾病的本質(zhì)。這是其他方法所不能比擬的。

PET的局限性：成像時(shí)間較長(zhǎng)（至少要幾十秒），只能采用區(qū)組設(shè)計(jì)（Blockdesign）的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?；成像時(shí)受放射性同位素的限制，不適用于單個(gè)被試的重復(fù)研究。同一被試不宜頻繁參加實(shí)驗(yàn)，不利于那些需要被試多次參加實(shí)驗(yàn)的研究；系統(tǒng)造價(jià)很高，除PET掃描機(jī)外，一般還需配備一臺(tái)加速器，用以制備半衰期只有123s的15O等同位素。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所