Positron

Het positron of antielectron is het antideeltje of het antimaterie tegenhanger van het elektron. Het positron is een elektrische lading van + 1e, een spin ½ en dezelfde massa als elektronenacceptor. Wanneer een energiezuinig positron botst met een lage-energie-elektronen, vernietiging optreedt, resulterend in de productie van twee of meer gamma-fotonen.

Positronen kunnen worden gegenereerd door positron emissie radioactief verval, of paarvorming van een voldoende energetische fotonen die interactie met een atoom in een materiaal.

Geschiedenis

Theorie

In 1928, Paul Dirac publiceerde een paper voorstellen dat elektronen zowel een positieve lading en negatieve energie kan hebben. Dit document introduceerde de Dirac-vergelijking, een vereniging van de kwantummechanica, de speciale relativiteitstheorie en de toen nieuwe concept van electron spin om het Zeeman-effect te verklaren. Het papier niet expliciet voorspellen een nieuw deeltje, maar zorgen voor elektronen met zowel positief als negatief energie oplossingen. De positieve energie oplossing uitgelegd experimentele resultaten, maar Dirac was verbaasd door de even geldig negatieve energie-oplossing die het wiskundige model toegestaan. Quantummechanica niet toestaan ​​dat de negatieve energie oplossing eenvoudig worden genegeerd, zoals de klassieke mechanica vaak deed in dergelijke vergelijkingen; de dubbele oplossing impliciet de mogelijkheid van een elektron spontaan springen tussen positieve en negatieve energie toestanden. Echter, een dergelijke overgang was nog experimenteel waargenomen. Hij verwees naar de problemen door dit conflict tussen theorie en observatie opgevoed als "moeilijkheden" die "onopgeloste" waren.

Dirac schreef een follow-up papier in december 1929, dat probeerde om de onvermijdelijke negatieve energie-oplossing voor de relativistische elektron uit te leggen. Hij stelde dat "... een elektron met negatieve energie beweegt in een extern veld alsof het een positieve lading draagt." Hij overigens verklaard dat alle ruimte als een "zee" van negatieve energietoestanden die werden gevuld teneinde elektronen springen tussen positieve en negatieve energietoestanden energietoestanden voorkomen kan worden beschouwd. Het papier ook de mogelijkheid onderzocht van het proton een eiland in de zee, en dat het daadwerkelijk een negatieve-energie elektronen kan zijn. Dirac erkend dat de protonen met een veel grotere massa dan het elektron was een probleem, maar uitgedrukt "hoop" dat een toekomstige theorie het probleem zou oplossen.

Robert Oppenheimer betoogde sterk tegen het proton dat de negatieve energie elektron oplossing voor de Dirac-vergelijking. Hij beweerde dat als het ware het waterstofatoom zou snel zelfvernietiging. Overtuigend argument Oppenheimer, Dirac artikel gepubliceerd in 1931 dat het bestaan ​​van een nog niet-waargenomen deeltje dat hij een "anti-electron" dat dezelfde massa als een elektron en dat zou onderling vernietigen bij contact met een elektron genoemd voorspelde .

Feynman, en eerder Stueckelberg, voorgesteld een interpretatie van de positron als een elektron bewegen terug in de tijd, herinterpreteren de negatieve energie-oplossingen van de Dirac vergelijking. Elektronen bewegen terug in de tijd zou hebben een positieve elektrische lading. Wheeler ingeroepen dit concept naar de identieke eigenschappen gedeeld door alle elektronen te verklaren, wat suggereert dat "ze zijn allemaal hetzelfde elektron" met een complexe, self-kruisende wereldlijn. Yoichiro Nambu later toegepast op alle productie- en vernietiging van deeltje-antideeltje paren, waarin staat dat "de uiteindelijke schepping en vernietiging van de paren die nu kunnen optreden en dan is geen schepping of vernietiging, maar slechts een verandering van richting van de bewegende deeltjes, uit het verleden toekomstige of toekomstige verleden. " Het terug in de tijd oogpunt is tegenwoordig geaccepteerd als volledig gelijkwaardig aan andere foto's, maar het heeft niets te maken met de macroscopische termen "oorzaak" en "effect", die niet in een microscopisch fysieke beschrijving hebben.

Experimentele aanwijzingen en ontdekking

Dmitri Skobeltsyn eerst waargenomen de positron in 1929. Hoewel het gebruik van een Wilson nevelkamer proberen om gammastraling te detecteren in de kosmische straling, Skobeltsyn ontdekt deeltjes die zich gedragen als elektronen, maar gebogen in de tegenovergestelde richting op een aangelegd magnetisch veld.

Ook in 1929 Chung-Yao Chao, een afgestudeerde student aan Caltech, merkte een aantal abnormale resultaten die deeltjes gedragen als elektronen aangeduid, maar met een positieve lading, maar de resultaten waren niet overtuigend en het fenomeen werd niet voortgezet.

Carl D. Anderson ontdekt het positron op 2 augustus 1932, waarvoor hij won de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 1936. Anderson heeft de term positron niet munt, maar liet het op de suggestie van het tijdschrift Physical Review editor waar hij diende zijn ontdekking papier in eind 1932. Het positron was het eerste bewijs van antimaterie en werd ontdekt toen Anderson toegestaan ​​kosmische straling door een wolk kamer en een loden plaat te passeren. Een magneet omgeven deze inrichting, waardoor deeltjes te buigen in verschillende richtingen op basis van hun elektrische lading. Het ion spoor dat door elke positron verscheen op de fotografische plaat met een kromming overeenkomt met de massa-tot-lading verhouding van een elektron, maar in een richting die zijn lading zich positief was.

Anderson schreef achteraf dat de positron had kunnen worden ontdekt eerder op basis van Chung-Yao Chao's werk, als het maar was gevolgd up. Frédéric en Irène Joliot-Curie in Parijs had het bewijs van positronen in oude foto's wanneer de resultaten van Anderson kwam, maar ze hadden hen als protonen afgewezen.

Natuurlijke productie

Positronen zijn van nature in β verval van natuurlijk voorkomende radioactieve isotopen en interacties van gammakwanta met materie. Antineutrino's zijn een ander soort antideeltje gecreëerd door natuurlijke radioactiviteit. Veel verschillende soorten antideeltjes worden ook door kosmische straling. Recent onderzoek van de American Astronomical Society heeft ontdekt antimaterie uit boven onweer wolken; positronen worden in gammastraling flitsen door elektronen versneld door sterke elektrische velden in de wolken. Antiprotonen zijn ook gevonden te bestaan ​​in de Van Allen-gordels rond de Aarde door de PAMELA-module.

Antideeltjes, waarvan de meest voorkomende zijn positronen vanwege hun lage gewicht, worden geproduceerd in een omgeving met een voldoende hoge temperatuur. Gedurende de periode van baryogenesis, toen het heelal was extreem heet en dicht, werden materie en antimaterie steeds geproduceerd en vernietigd. De aanwezigheid van de resterende materie, en de afwezigheid van detecteerbare resterende antimaterie, ook wel baryon-asymmetrie, wordt toegeschreven aan CP-overtreding: een schending van de CP-symmetrie in verband zaak aan antimaterie. Het precieze mechanisme van deze overtreding tijdens baryogenesis blijft een mysterie.

Positronen productie van radioactief verval β +, kan worden beschouwd zowel kunstmatige en natuurlijke productie, de generatie van de radio-isotoop natuurlijk of kunstmatig kunnen zijn. Misschien wel de meest bekende van nature voorkomende isotoop die positronen produceren kalium-40, een lange levensduur isotoop kalium die optreedt als een fundamentele isotoop kalium, en hoewel een klein percentage van kalium, is de meest voorkomende isotoop in het menselijk lichaam. In een menselijk lichaam van 70 kg gewicht, ongeveer 4400 K kernen van verval per seconde. De activiteit van natuurlijke kalium 31 Bq / g. Ongeveer 11,2% van deze K vervalt produceren ongeveer 400 natuurlijke positronen per seconde in het menselijk lichaam. Deze positronen gauw een elektron, ondergaan vernietiging, en produceren van paren van 511 keV gammastraling, in een proces dat vergelijkbaar is met dat wat er gebeurt tijdens een PET-scan in de nucleaire geneeskunde.

Observatie in kosmische straling

Satelliet experimenten hebben bewijs van positronen in de primaire kosmische straling gevonden, voor een bedrag van minder dan 1% van de deeltjes in de primaire kosmische straling. Deze lijken niet aan de producten van grote hoeveelheden antimaterie van de Big Bang, of zelfs complexe antimaterie in het heelal zijn. Integendeel, de antimaterie kosmische straling blijken uit slechts deze twee elementaire deeltjes, waarschijnlijk in energetische processen lang na de Big Bang.

Voorlopige resultaten van de momenteel operationele Alpha Magnetic Spectrometer aan boord van het International Space Station zien dat positronen in de kosmische stralen komen zonder gerichtheid, en met energieën die variëren van 10 GeV tot 250 GeV. In september 2014, nieuwe resultaten met bijna twee keer zoveel gegevens werden gepresenteerd in een toespraak bij CERN en gepubliceerd in Physical Review Letters. Een nieuwe meting van positron meetbereik tot 500 GeV werd gemeld, waaruit blijkt dat positron fractie pieken bij maximaal ongeveer 16% van de totale electron + positron gebeurtenissen rond een energie van 275 ± 32 GeV. Bij hogere energieën tot 500 GeV, begint de verhouding positronen met elektronen weer te dalen. De absolute flux van positronen begint ook voor de 500 GeV te vallen, maar pieken op energieën veel hoger dan elektronen energieën, die piek ongeveer 10 GeV. Deze resultaten interpretatie- zijn voorgesteld als gevolg van positron annihilatie productie events massieve donkere materiedeeltjes.

Positronen, zoals anti-protonen, niet afkomstig lijken te zijn van een hypothetische "antimaterie" regio's van het universum. Op contracy, is er geen bewijs van complexe antimaterie atoomkernen, zoals antihelium kernen, in de kosmische straling. Deze worden actief worden gezocht. Een prototype van de AMS-02 aangewezen AMS-01, werd in de ruimte aan boord van de Space Shuttle Discovery op missie STS-91 gevlogen in juni 1998. Door het niet opsporen van een antihelium helemaal niet, de AMS-01 gevestigde een bovengrens van 1,1 × 10 voor de antihelium om fluxverhouding helium.

Kunstmatige productie

Nieuw onderzoek is dramatisch toegenomen de hoeveelheid positronen die experimentalisten kan produceren. Natuurkundigen van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië hebben een korte, ultra-intense laser gebruikt om een ​​millimeter dikke gouden doel bestralen en produceren meer dan 100 miljard positronen.

Toepassingen

Bepaalde soorten van deeltjesversneller experimenten betrekken botsende positronen en elektronen bij relativistische snelheden. De hoge impact energie en de wederzijdse vernietiging van deze materie / antimaterie tegenstellingen creëren van een fontein van de diverse subatomaire deeltjes. Fysici bestuderen de resultaten van deze botsingen theoretische voorspellingen te testen en te zoeken naar nieuwe soorten deeltjes.

Gammastralen indirect uitgezonden door een positron-emitterend radionuclide, zijn gedetecteerd in positron emissie tomografie scanners in ziekenhuizen. PET scanners creëren gedetailleerde driedimensionale beelden van metabolische activiteit in het menselijk lichaam.

Een experimentele methode genoemd positron annihilatie spectroscopie wordt gebruikt materiaalonderzoek variaties in dichtheid, defecten, verplaatsingen, of holten te detecteren, binnen een vast materiaal.

(0)
(0)
Commentaren - 0
Geen commentaar

Voeg een reactie

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tekens over: 3000
captcha