學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程中關(guān)于對(duì)正電子的理解

許眾

【摘 要】正電子，又稱(chēng)陽(yáng)電子、反電子、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語(yǔ)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。正負(fù)電子一旦相遇，則發(fā)生湮滅，是正電子的最基本性質(zhì)。在這之前是不具有我們理解的正電子的最基本性質(zhì)。那么對(duì)于大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理中該如何理解正電子，本人在文章簡(jiǎn)單介紹了正電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，讓大學(xué)生對(duì)正電子的概念有一個(gè)基本的了解。

【關(guān)鍵詞】正電子；狄拉克方程；湮滅；空穴

1.引言

正電子的理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了反粒子的發(fā)現(xiàn)之幕，這也無(wú)疑是近代物理界的極為重要的和極其有意義的發(fā)現(xiàn)，它的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著我們對(duì)物質(zhì)的內(nèi)涵有了更進(jìn)一步的理解，尤其是對(duì)基本粒子的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深。構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子是既不能產(chǎn)生，也不會(huì)湮滅，如電子，我們通常的電子都是指帶負(fù)電，而且規(guī)定電子所帶的電量大小為單位電量，直到正電子的發(fā)現(xiàn)，對(duì)基本粒子的認(rèn)識(shí)翻開(kāi)了新的一頁(yè)。現(xiàn)如今，我們發(fā)現(xiàn)在一定條件下，正、負(fù)電子可以相互轉(zhuǎn)化，成對(duì)的產(chǎn)生或者湮滅。我們?cè)谡J(rèn)識(shí)世界的過(guò)程中，總是從感性上升到理性，通過(guò)概括和整理，使之成為概念。本文簡(jiǎn)單介紹我們?cè)撊绾稳ダ斫庹娮拥母拍?，這就是本文探索的目的。

2.正電子的理論來(lái)源

1928年，英國(guó)物理學(xué)家提出了著名的狄拉克方程，該方程式描述自旋為粒子的波函數(shù)方程，是對(duì)薛定諤方程進(jìn)行洛倫茲變換得到的，它同時(shí)遵循狹義相對(duì)論與量子力學(xué)的原理，是相對(duì)論量子力學(xué)重要基礎(chǔ)。

狄拉克1928年提出了合理真空理論假說(shuō)——狄拉克之海，認(rèn)為這些粒子是電子的反物質(zhì)，很好的解釋了方程中反常的負(fù)能量問(wèn)題，對(duì)反粒子的存在做出了合理的預(yù)言。

此外，根據(jù)狄拉克方程求解得到的結(jié)果，電子不僅有能量取正值的情況，還有負(fù)值的情況，而且正負(fù)態(tài)關(guān)于能量為零的點(diǎn)完全對(duì)稱(chēng)。雖然這個(gè)結(jié)果很有意思，但解釋起來(lái)遇到了“永動(dòng)機(jī)”的問(wèn)題，這與物理基本規(guī)律是肯定矛盾的。針對(duì)這個(gè)矛盾，狄拉克于1930年提出了空穴理論。該理論考慮了電子是費(fèi)米子，那就必須滿(mǎn)足泡利不相容原理，負(fù)電子填滿(mǎn)了所有的真空狀態(tài)，這樣電子就不能找到能量更低的態(tài)，而且正能量態(tài)中也就沒(méi)有電子，所以任何一個(gè)電子都不能找到能量更低的狀態(tài)，也就是說(shuō)整個(gè)系統(tǒng)非常穩(wěn)定，電子不可能跳到能量更低的狀態(tài)，對(duì)外輻射能量。此外，我們至少需要兩倍于電子靜止質(zhì)量的能量，才能把某個(gè)電子從原來(lái)的負(fù)能態(tài)激發(fā)到正能態(tài)，可以看作一個(gè)正能態(tài)對(duì)應(yīng)著一個(gè)負(fù)能態(tài)空穴。正能態(tài)電子所帶電荷為-e，而且所具有的能量大于或等于一個(gè)電子靜止能量，因?yàn)樗鼈儽仨殱M(mǎn)足電荷守恒定律和能量守恒定律，所以負(fù)能態(tài)的電子的帶電量應(yīng)該就是+e，能量也應(yīng)該大于或等于一個(gè)電子靜止能量。這個(gè)粒子就是狄拉克所預(yù)言的“正電子”。

3.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

狄拉克本人雖然對(duì)理論作出了完美的解釋?zhuān)昭ɡ碚摻o出了反粒子概念，但實(shí)驗(yàn)上還并沒(méi)有觀(guān)測(cè)到正電子，正電子理論并沒(méi)有得到學(xué)術(shù)界的承認(rèn)，包括狄拉克本人，當(dāng)時(shí)也不是完全確認(rèn)理論自身的正確性。

不過(guò)，狄拉克的預(yù)言因?yàn)檎业綄?shí)驗(yàn)上的證據(jù)被證實(shí)了。1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森等人在研究宇宙射線(xiàn)是電磁輻射還是單純的粒子問(wèn)題，觀(guān)察到高能光子穿過(guò)重原子核附近時(shí)在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況，這一細(xì)節(jié)引起了他的注意，雖然當(dāng)時(shí)著名的物理學(xué)家康普頓做出了解釋?zhuān)](méi)有使安德森及其合作者信服，隨著后來(lái)的觀(guān)測(cè)，在云室中拍攝了一張照片，發(fā)現(xiàn)宇宙射線(xiàn)進(jìn)入云室穿過(guò)鉛板后，軌跡確實(shí)發(fā)生了彎曲，而且，在高能宇宙射線(xiàn)穿過(guò)鉛板時(shí)，有一個(gè)粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣，但是彎曲的方向卻“錯(cuò)”了。第二年，安德森又用γ射線(xiàn)轟擊方法產(chǎn)生了正電子，從而從實(shí)驗(yàn)上完全證實(shí)了正電子的存在，正電子得到學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可。

4.結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大學(xué)生本科生來(lái)說(shuō)，我們大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理中該如何理解正電子，本人認(rèn)為我們大學(xué)生要了解一些有關(guān)于正電子的理論來(lái)源，從源頭了解正電子的實(shí)質(zhì)。當(dāng)然考慮到本科生物理知識(shí)有限還不具備研究高等量子力學(xué)的客觀(guān)條件所以大學(xué)生只需了解其基本大意就行，對(duì)于某些學(xué)有余力的同學(xué)可以刨根問(wèn)底，可以說(shuō)這對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力能有一定的提高和發(fā)展。但我們大學(xué)生要對(duì)正電子的性質(zhì)與概念要有清楚的了解，一定要區(qū)分開(kāi)正電子與空穴，兩者有極其相似的地方。但本質(zhì)不同。正電子真實(shí)存在的。如同電子、質(zhì)子一樣時(shí)基本粒子而空穴則不然，它是一個(gè)為方便解決物理問(wèn)題而創(chuàng)造出的一種概念不是真實(shí)存在的，這一點(diǎn)我們要清晰。

【參考文獻(xiàn)】

[1]P.A.M.Dirac，The Quantum Theory of the Electron. Proceedings of the Royal Society of London：Series A.1928，117（778）：610-624.Doi：10.1098/rspa.1928.0023. Bibcode 1928RSPSA.117.610D.

[2]M.Kaku，J.T.Thompson.Beyond Einstein：The Cosmic Quest for the Theory of the Universe.Oxford University Press.1997： 179-180. ISBN 0-19-286196-4.

[3]Walter Greiner； D.A. Bromley. Relativistic Quantum Mechanics.Wave Equations.Springer；3rd edition. 2008/5/23. ISBN 978-3540674573