地球上的正电子

时间:2023-11-25 04:19:03

狄拉克得到了理论,安德森、布莱克特和哈里利看到了实验结果,这种理论和实验的完美结合很快传遍了科学界,到处都在讨论着正电子。大量的物理学家们开始翻看早年的云室图像记录,发现了很多当时漏掉了的正电子证据。如果当年他们足够勇敢,很多人都可能替代安德森在科学史上留下不朽的名字。这些与正电子擦肩而过的人中,有艾琳(Irene)和弗雷德里克·约里奥-居里(Frederic Joliot-Curie)。艾琳是著名的居里夫人之女,她的丈夫就是弗雷德里克·约里奥,他们两人在1932年就已经错过了产生中子的诺贝尔奖--他们当时错以为产生的是γ射线。 这一次,他们意识到再次错过了正电子:安德森因为发现正电子而获得了1936年的诺贝尔奖。当然,幸运之神终会降临,1935年他们凭借制作出短寿命放射性核素获得了当年的诺贝尔化学奖;他们这个工作的一个应用就是制作某些核素,用于自发放出正电子。

1896年,当亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)偶然发现放射性现象的时候,他发现铀原子核能够自发改变;今天我们知道这是因为其原子核内的一个中子变成了一个质子,同时放出一个带负电的电子以保持电荷平衡。发现正电子之后,人们自然想到可能有一种核衰变过程,其中质子会变成中子,同时发射出一个正电子以保持电荷平衡。

这个想法进一步发展,有人认为放射性可以像产生电子一样轻松地产生正电子。这两个之间主要的现实上的不同在之后显现了出来。发射出来的电子会以电流的形式飞出,或者进入附近原子周围的围绕电子群,然后引起化学反应以及宇宙未来中无数的其他各种反应。相对来说,正电子是一个陌生来客,来的时间也还不长。它一来到我们这个世界,就发现周围全是含有一大群负电子的物质。顷刻之间,其中一个负电子就会和正电子相互围绕,然后在百万分之一秒内湮灭成一道闪光。这就是近年来将正电子投入实际应用的关键所在。

正电子发射是自然而常见的;某些核物质具有发射正电子的能力,因此在医学和科技领域得到了广泛应用。这些核物质包括碳-11,氮-13和氧-15等,它们都是人体内含有的普通元素的放射性形态,同时又可以发射正电子,所以可以用于对人体机能示踪,比如显示人的脑部活动。其基本原理是,当这些原子核放出一个正电子,就会与附近的电子发生湮灭,然后产生几乎背靠背的两条γ射线。这两条γ射线会被设计好的探测器探测到,由此就可以准确地定位放出正电子的原子核。下面来看看它的应用。

人类思考的时候,大脑中不同部位会发生不同的活动。这些活动需要能量,而能量来自于脑部供血中的血糖。如果我们能够测量大脑中的血糖集中在哪个部位,就可以对大脑的活动进行标示。化学家们将放射性原子植入糖分子中,这些糖被人体吸收后分布到人体活动需要的区域上,比如心脏、肺部、肌肉和大脑等。最基本的想法就是使用可以放射正电子的糖,此想法在医疗诊断学上被证明非常有用。发射出来的正电子会瞬间与周围原子内无所不在的电子发生湮灭反应。我们可以在空间上确定湮灭发生的位置,由此确定糖分的位置;而这一切只需要简单地使用特殊的摄像机来探测放出的γ射线。

用一圈这种摄像机将病人的头部环绕起来,然后就可以对脑部进行断层成像。这种技术称为正电子发射断层成像,简称PET(Positron Emission Tomography)。供测定反应的特殊同位素一般都是短寿命的 ,因此必须在患者附近准备。通常的方法是使用一个小加速器加速质子来轰击特定元素,最终生成所需要的同位素。

所以,到了今天,狄拉克对于反物质的晦涩预言已经用于拯救生命。在材料研究方面,正电子湮灭也可以大展身手。一个例子是,金属中的湮灭能揭示金属疲劳的出现,比其他方法更加快速。这被用于检测飞机上的涡轮叶片,节约安检时间从而增加利润。

科学家们将正电子捆绑在普通的原子上,以研究反物质的化学性质。一个质子和一个电子构成了氢原子,那么一个电子和一个正电子可以构成“正电子素”原子--它能生存百万分之一秒,然后自发湮灭掉。人们甚至已经构造出了正电子素分子,正在考虑将这些分子聚拢起来,也许可以形成γ射线激光的基础。

所以,像正电子这种反粒子现在已经很常见了,已经用于我们的日常生活中。当然它没有电子那么为人所熟悉,因为它的数量太少所以很快就被杀死了。就像我们所看到的,正电子是反物质的源种,太阳内部大熔炉中10万年前产生的正电子最终生成了我们今天看到的阳光。而现在太阳内部产生的正电子,正在为遥远的未来准备着阳光。 (见图4.2)

地球上的正电子

图4.2 太阳中产生的正电子和能量。P 表示质子,两个质子融合形成氘并放出一个正电子和一个中微子。图(a)中,氘内部有一个中子(白圈)和一个质子(黑圈)。图(b)中,另一个质子撞上了这个氘,生成了一个氦-3和一个光子。图(c)中,我们看到两个这种过程产生的最终结果:两个氦-3原子核融合生成了一个氦-4,并放出两个质子。