學習大學物理課程中關于對正電子的理解

許眾

【摘 要】正電子，又稱陽電子、反電子、正子，基本粒子的一種，帶正電荷，質量和電子相等，是電子的反粒子。最早是由狄拉克從理論上語言的。1932年8月2日，美國加州理工學院的安德森等人向全世界莊嚴宣告，他們發現了正電子。正負電子一旦相遇，則發生湮滅，是正電子的最基本性質。在這之前是不具有我們理解的正電子的最基本性質。那么對于大學生在學習大學物理中該如何理解正電子，本人在文章簡單介紹了正電子的發現過程，讓大學生對正電子的概念有一個基本的了解。

【關鍵詞】正電子；狄拉克方程；湮滅；空穴

1.引言

正電子的理論預言和實驗發現揭開了反粒子的發現之幕，這也無疑是近代物理界的極為重要的和極其有意義的發現，它的發現標志著我們對物質的內涵有了更進一步的理解，尤其是對基本粒子的認識進一步加深。構成物質的基本粒子是既不能產生，也不會湮滅，如電子，我們通常的電子都是指帶負電，而且規定電子所帶的電量大小為單位電量，直到正電子的發現，對基本粒子的認識翻開了新的一頁。現如今，我們發現在一定條件下，正、負電子可以相互轉化，成對的產生或者湮滅。我們在認識世界的過程中，總是從感性上升到理性，通過概括和整理，使之成為概念。本文簡單介紹我們該如何去理解正電子的概念，這就是本文探索的目的。

2.正電子的理論來源

1928年，英國物理學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方程，是對薛定諤方程進行洛倫茲變換得到的，它同時遵循狹義相對論與量子力學的原理，是相對論量子力學重要基礎。

狄拉克1928年提出了合理真空理論假說——狄拉克之海，認為這些粒子是電子的反物質，很好的解釋了方程中反常的負能量問題，對反粒子的存在做出了合理的預言。

此外，根據狄拉克方程求解得到的結果，電子不僅有能量取正值的情況，還有負值的情況，而且正負態關于能量為零的點完全對稱。雖然這個結果很有意思，但解釋起來遇到了“永動機”的問題，這與物理基本規律是肯定矛盾的。針對這個矛盾，狄拉克于1930年提出了空穴理論。該理論考慮了電子是費米子，那就必須滿足泡利不相容原理，負電子填滿了所有的真空狀態，這樣電子就不能找到能量更低的態，而且正能量態中也就沒有電子，所以任何一個電子都不能找到能量更低的狀態，也就是說整個系統非常穩定，電子不可能跳到能量更低的狀態，對外輻射能量。此外，我們至少需要兩倍于電子靜止質量的能量，才能把某個電子從原來的負能態激發到正能態，可以看作一個正能態對應著一個負能態空穴。正能態電子所帶電荷為-e，而且所具有的能量大于或等于一個電子靜止能量，因為它們必須滿足電荷守恒定律和能量守恒定律，所以負能態的電子的帶電量應該就是+e，能量也應該大于或等于一個電子靜止能量。這個粒子就是狄拉克所預言的“正電子”。

3.實驗發現

狄拉克本人雖然對理論作出了完美的解釋，空穴理論給出了反粒子概念，但實驗上還并沒有觀測到正電子，正電子理論并沒有得到學術界的承認，包括狄拉克本人，當時也不是完全確認理論自身的正確性。

不過，狄拉克的預言因為找到實驗上的證據被證實了。1932年，美國物理學家安德森等人在研究宇宙射線是電磁輻射還是單純的粒子問題，觀察到高能光子穿過重原子核附近時在磁場中的偏轉情況，這一細節引起了他的注意，雖然當時著名的物理學家康普頓做出了解釋，但并沒有使安德森及其合作者信服，隨著后來的觀測，在云室中拍攝了一張照片，發現宇宙射線進入云室穿過鉛板后，軌跡確實發生了彎曲，而且，在高能宇宙射線穿過鉛板時，有一個粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣，但是彎曲的方向卻“錯”了。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產生了正電子，從而從實驗上完全證實了正電子的存在，正電子得到學術界的廣泛認可。

4.結束語

對于大學生本科生來說，我們大學生在學習大學物理中該如何理解正電子，本人認為我們大學生要了解一些有關于正電子的理論來源，從源頭了解正電子的實質。當然考慮到本科生物理知識有限還不具備研究高等量子力學的客觀條件所以大學生只需了解其基本大意就行，對于某些學有余力的同學可以刨根問底，可以說這對學生的學習能力能有一定的提高和發展。但我們大學生要對正電子的性質與概念要有清楚的了解，一定要區分開正電子與空穴，兩者有極其相似的地方。但本質不同。正電子真實存在的。如同電子、質子一樣時基本粒子而空穴則不然，它是一個為方便解決物理問題而創造出的一種概念不是真實存在的，這一點我們要清晰。

【參考文獻】

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[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