正电子

6969910938291000000♠9.10938291(40)×10−31 kg 6996548579909460000♠5.4857990946(22)×10−4 u −1 u正电子（又称阳电子、反电子、正子）是电子的反粒子，即电子的对应反物质。它带有+1单位电荷，+1.6×10-19C，自旋为1/2，质量与电子相同，皆为9.10×10-31kg。正电子与电子碰撞时会产生湮灭现象，这一过程遵守电荷守恒、能量守恒、动量守恒和角动量守恒。在高能情况下，湮灭会生成其他基本粒子。在低能情况下，正负电子湮灭主要生成两个或三个光子（有时也会生成更多光子）。另外，电子和正电子在湮灭之前有时会形成亚稳定的束缚态，即电子偶素。根据电子和正电子的不同自旋状态，电子偶素分为单态（1S0，总自旋为0）和三重态（3S1，总自旋为1）。在真空中，单态电子偶素的半衰期为125ps。三重态电子偶素的半衰期为142ns。当能量超过1.02兆电子伏特的光子经过原子核附近时（成对产生），或者在放射性元素的正β衰变中（通过弱相互作用），都有可能产生正电子。1930年英国物理学家保罗·狄拉克从理论上预言了正电子的存在，1932年美国物理学家卡尔·戴维·安德森在宇宙射线中发现了正电子。保罗·狄拉克于1928年发表了一份论文，当中提出电子能够拥有正电荷及负电荷。在这份论文中，狄拉克首次引进了狄拉克方程，这条方程统一了量子力学、狭义相对论及电子自旋，而自旋当时还是一个很新的概念，用于解释塞曼效应。论文中狄拉克并没有明确地预测新粒子的存在，但他允许电子可以用正能量或负能量作解。正能量解成功解释了实验结果，但负能量解却令狄拉克相当困惑，因为在他的数学模型中负能量解跟正能量解一样有效。在量子力学中是不能够无视负能量解的，这点就跟经典力学很不一样；双重解意味着电子有可能会在正负能量态间自发跳跃。然而，实验并没有观测到这样的跃迁。狄拉克把这个理论与观测间的冲突称为“未解决的难题”。狄拉克于1929年十二月撰写了一份后续论文，尝试解释相对论性电子那无可避免的负能量解。他的论点是“……具有负能量的电子在外加（电磁）场中移动就像它携带了正电荷”。他继续论述说所有空间都可被视为充满负能量态的“海”，因此这样就阻止了电子在正能量态（负电荷）与负能量态（正电荷）间的跃迁。论文同时探讨了质子是这种海中的岛的可能性，及这种岛其实是负电荷电子的可能性。狄拉克承认，质子与电子的巨大质量差是一个难题，但同时表示将来的理论“有希望”解决这个问题。对于狄拉克使用质子作为电子的负能量解，罗伯特·奥本海默表示强烈反对。他断言如果这是真的，那么氢原子就会瞬间自爆。狄拉克被奥本海默的论点说服，于是在1931年发表的一篇论文中预测存在一种未被发现的粒子“反电子”，其质量与电子一样，并且与电子接触时会互相湮灭。理查德·费曼及在他之前的厄恩斯特·斯蒂克尔堡，提出了一种对狄拉克方程负能量解的诠释，就是正电子是逆时间而行的电子。逆时间而行的电子，其电荷为正电荷。约翰·惠勒援引这个概念，来解释所有电子都共有的性质，同时指出在有自相互作用的复世界线上，“它们都是一样的电子”。后来，南部阳一郎将这样的一套理论，应用于所有物质－反物质对的创生与湮灭，还说明了“平常所见成对的最终创生与湮灭，并不是创生与湮灭，而是移动中的粒子改变方向而已，从过去到将来，又或是从将来到过去”。现时物理学家已经接受了逆时间观点，与其他绘景等价，但这个诠释却没有宏观的“因果”，因为微观物理描述并没有因果。德米特里·斯科别利岑（Dmitri Skobeltsyn）最早于1929年观测到正电子。在尝试用威尔逊云室来侦测宇宙射线中伽马辐射的时候，斯科别利岑探测到一种行动像电子的粒子，但它在磁场中的弯曲方向与电子相反。同样地，加州理工学院的一名研究生赵忠尧在1929年也注意到类似的实验结果，显示有一种性质像电子的粒子，但其电荷为正，不过由于实验结果并非决定性，所以赵忠尧并没有继续追查这个现象。卡尔·安德森于1932年8月2日发现正电子，亦因此于1936年获颁诺贝尔物理学奖。“正电子”（positron）一词是由安德森所创的。正电子是第一种被发现的反物质，因此当时成了反物质存在的证据。在发现时，安德森让宇宙射线通过云室及铅片。仪器被磁铁包围，而这些磁铁使不同电荷的粒子向不同的方向弯曲。每一粒通过照相底片的正电子，都会有一条离子轨迹，其曲率对应电子的质荷比，但轨迹方向与电子相反，意味着它的电荷也与电子相反。后来安德森在忆述往事时写道，假若之前赵忠尧的研究有后续的话，那么正电子在那个时候就会被发现了。在安德森公布发现正电子的时候，巴黎的弗雷德里克·约里奥-居里与伊雷娜·约里奥-居里夫妇已经持有有正电子轨迹的老照片，不过他们当时认为那轨是属于质子的，因此不予理会。新的研究大大地增加了正电子的生产量。劳伦斯利福摩尔国家实验室的物理学家团队，用特高亮度的短距离激光轰击一片1毫米厚的金箔，成功生产出1000亿个正电子。某些粒子加速器实验需要使正电子与电子在相对论性速度下对撞。高撞击能量与这些物质─反物质湮灭，能生成一整束各种各样的亚原子粒子。物理学家就是通过研究这些碰撞，来测试理论预测及寻找新的粒子。放射性核素（示踪物）所发射的正电子与生物体内电子湮灭所产生的伽马射线，可用正电子发射计算机断层扫描（PET）来探测。PET扫描器能做出详细的三维图像，显示人体的新陈代谢。材料研究中通常采用正电子湮没谱学（Positron Annihilation Spectroscopy, PAS）技术，用于探测固体材料中的空位、位错等微观缺陷。