谈谈反物质

永恒的贝多芬

1928年，狄拉克将量子力学与相对论结合起来建立了狄拉克（Dirac）方程。Dirac方程一方面相当精确地解释了氢原子的光谱，而且自然地解释了电子的自旋为1/2；另一方面，存在负能困难，即Dirac方程有正能解和负能解。正能解描述正能量粒子的运动，负能解描述负能量粒子的运动。利用Dirac方程可以算出正能量电子跃迁到负能状态去的几率。比如，一个氢原子中的电子大约在10^-8秒内就会跃迁到负能状态。因此，所有氢原子中的电子都会在一瞬间变成负能电子，不符合事实。
1930年Dirac找到了一条出路：将真空看成所有负能已被电子填满的状态。根据泡利不相容原理，这时正能电子不可能再跃迁到负能态去，从而解释了未见过负能电子的这一事实。

如果负能态上填满电子，只要有足够的能量传递给这些电子，它们就会跃迁到空着的正能态上去。既然所有负能态被填满的状态相当于真空，那么负能态上因跑掉一个电子而留着的空穴就相当于一个正能粒子。这个粒子除了电荷为正，磁矩与电子相反外，质量、自旋及其它性质均与电子一致，称为正电子或反电子。

按照Dirac的理论，一个能量足够高的γ光子可以使一个负能电子跃迁到正能态上去，在负能态中留下一个空穴。其结果是一个高能γ光子转化成电子和正电子。不过一个γ光子直接转化成一对电子（e^-,e⁺）不能同时满足能量与动量守恒定律。只有在第三者（通常是一个原子核）参与的情况下才能发生，即：γ+X→X+e^-+e⁺
虽然X在过程后仍存在，但其能量与动量有了变化，表面上看γ光子似乎是被原子核吸收了。这个现象最早是赵忠尧于1930年发现的，当时叫做反常核吸收现象。这种现象会辐射出一种能量约为0.5MeV的γ光子，而且各向同性，称为赵忠尧辐射。

虽然正电子本身是稳定的，但在物质中却不会永远存在下去。一般地，它将先与物质中的原子进行多次电离碰撞而逐步失去能量，变成一个几乎静止的正电子。因为正电子相当于负能态上的一个空穴，如果附近有正能电子，它就会向这个空着的负能态跃迁。其结果，就是原来的电子不见了，负能态上的空穴被填充后变成了真空，正电子也不见了。跃迁过程中放出的能量转化为光子。这种过程就是湮灭。一对正负电子转化成一个光子同样不能同时满足能量、动量守恒定律。通常，它们总是转化为两个光子：
e^-+e⁺→γ+γ
偶尔也会转化为三个。由于动量守恒的要求，两个光子必定以相同的能量朝着相反的方向辐射出来，所以每个光子的能量约为0.5MeV，即前面的赵忠尧特征辐射。

（以上选自陆埮，罗辽复著《物质探微：从电子到夸克》，有改动）





op.247

疏影

好象还不太全~~~~如果以前不了解这很难理解……

PROTON

嗯，已经比较全面了...............
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