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日化行业

什么是正电子?它与电子是如何作用的?

时间:2019-05-24来源:未知浏览次数:

这位艺术家的插图显示了一个绕原子核运行的电子,其中电子是一个基本粒子,但核可以分解成更小,更基本的成分。如果你要在我们已知的宇宙中采取任何微小的物质并将其分解成越来越小的成分,你最终会达到一个阶段,你留下的东西是不可分割的。地球上的一切都是由原子组成的,原子可以进一步分为质子,中子和电子。虽然质子和中子仍可以进一步分裂,但电子却不能。它们是第一个发现的基本粒子,100多年后,我们仍然知道没有办法将电子分开。但究竟是什么呢?

请你描述电子......解释它是什么,以及为什么它在与正电子相互作用时的移动方式。如果你还想解释为什么它会像电场,磁场和引力场那样移动,那就太好了。对电荷的解释也很好,并解释为什么电子具有质量。

这是我们在最深层次上所知道的关于周围最常见的基本粒子之一。

氢原子是最重要的物质构建块之一,存在于具有特定磁量子数的激发量子态。即使它的属性是明确定义的,某些问题,例如“这个原子中的电子在哪里”,只有概率确定的答案。为了理解电子,你必须首先理解成为粒子的意义。在量子宇宙中,一切都同时是粒子和波,其中许多精确的属性不能完全知道。您尝试并确定粒子的位置越多,就会破坏有关其动量的信息,反之亦然。如果粒子不稳定,其寿命的持续时间将影响你能够知道它的质量或内在能量的程度。如果粒子有一个内在的旋转,那么测量它在一个方向上的旋转会破坏你可以知道它在其他方向旋转的所有信息。

与所有自旋-1 / 2费米子一样,电子在置于磁场中时具有两种可能的自旋方向。执行这样的实验会在一个维度上确定它们的旋转方向,但结果会破坏其他两个维度中有关其旋转方向的任何信息。这是量子力学固有的令人沮丧的特性。如果您在某个特定时刻进行测量,即使完全理解它的运作方式,也无法准确了解其未来属性的信息。在量子宇宙中,许多物理属性具有基本的,固有的不确定性。

但事实并非如此。管理宇宙的量子规则比仅仅违反直觉的部分更复杂,如海森堡的不确定性。

在量子水平上位置和动量之间固有的不确定性之间的说明。您可以同时测量这两个量的数量是有限的,并且在人们通常最不期望的地方出现不确定性。宇宙由量子组成,量子是现实的组成部分,无法进一步划分为更小的组成部分。构成我们现实的那些最小的基本组成部分中最成功的模型以创造性命名的标准模型的形式出现在我们面前。

在标准模型中,有两个不同的量子类:

在我们的物质宇宙中构成物质和反物质的粒子,和负责控制其相互作用的力量的粒子。前一类粒子被称为费米子,而后一类被称为玻色子。

标准模型的粒子,右上角有质量(以MeV为单位)。费米子构成最左边三列并具有半整数旋转; 玻色子填充右侧的两列并具有整数旋转。虽然所有颗粒都具有相应的反粒子,但只有费米子可以是物质或反物质。即使在量子宇宙中,许多属性对它们具有内在的不确定性,但我们可以准确地知道一些属性。我们称之为量子数,它们不仅是单个粒子中的守恒量,而且是整个宇宙中的守恒量。特别是,这些包括以下属性:

电荷,彩色电荷,磁荷,角动量,重子数,轻子数,据我们所知,这些属性始终是守恒的。

标准模型的夸克,反夸克和胶子除了具有其他粒子和反粒子所具有的质量和电荷等所有其他属性外,还具有颜色电荷。我们所能告诉的所有这些粒子都是真正的点状,并且分为三代。在更高的能量下,可能还存在其他类型的粒子,但它们将超出标准模型的描述。此外,还有一些其他属性在强大和电磁相互作用中是守恒的,但弱相互作用可以破坏其保护性。这些包括

弱电,弱同位素,夸克风味数(如奇异性、魅力、底限或顶限)。存在的每个量子粒子都具有允许的这些量子数的特定值。他们中的一些,像电荷,永远不会改变,作为电子总会有一电一充-1和上夸克总是有一电一充+的。但是其他像角动量一样,可以采用各种值,对于电子来说可以是+ 或 - ,对于W-玻色子可以是-1,0或+1。

所有已知基本粒子的弱同位旋,T3和弱超前电荷,Y_W和彩色电荷的模式,通过弱混合角旋转以显示电荷Q,大致沿垂直方向。中性希格斯场(灰色方块)打破了电弱对称性,并与其他粒子相互作用,为它们提供了质量。构成物质的粒子,称为费米子,都有反物质对应物:反费米子。负责粒子之间的力和相互作用的玻色子既不是物质也不是反物质,但它们既可以与自身相互作用,也可以与它们自身相互作用。

我们观察这些相互作用的方式是通过费米子和/或反费米子之间的玻色子交换。你可以让费米子与玻色子相互作用,并产生另一种费米子; 你可以让费米子和反费米子相互作用并产生一个玻色子; 你可以让反费米子与玻色子相互作用,并产生另一种反费米子。只要您保存所有总量子数,就需要保存并遵守标准模型的粒子和相互作用所规定的规则,任何不被禁止的事物都将不可避免地以一定的有限概率发生。

ESA的INTEGRAL卫星已经彻底测量了低能量正电子/电子湮灭的特征信号,即511 keV光子线。重要的是,在我们列举电子的所有属性之前,要注意这仅仅是我们今天对宇宙在基本层面构成的最佳理解。我们不知道是否有更基本的描述; 我们不知道标准模型是否有一天会被更完整的理论所取代; 我们不知道是否有额外的量子数以及它们何时可能(或可能不是)被保存; 我们不知道如何将重力纳入标准模型。

虽然它应该总是不言而喻,但它保证在这里明确说明:这些属性提供了我们今天所知的电子的最佳描述。在未来,它们可能会变成一个不完整的描述,或者只是对电子(或构成我们现实的更基本的实体)真正是什么的近似描述。

此图显示了标准模型的结构(以比基于4x4平方颗粒的更熟悉图像更完整,更少误导性显示关键关系和模式的方式)。特别是,该图描绘了标准模型中的所有粒子(包括它们的字母名称,质量,旋转,旋向性,电荷以及与规范玻色子的相互作用:即,具有强力和电弱力)。话虽如此,电子是:

费米子(而不是反转子),电荷为-1(以基本电荷为单位),零磁荷和零色电荷,具有的基本内在角动量(或旋转),意味着它可以取+或-的值,重子数为0,轻子数为+1,电子族中轻子家族数为+1,μ子家族为0,tau族为0,弱同位素-,并且具有-1的弱增益。那些是电子的量子数。它确实耦合弱相互作用(因此,W和Z玻色子)和电磁相互作用(因此,光子),以及希格斯玻色子(因此,它具有非零的静止质量)。它不会与强力耦合,因此不能与胶子相互作用。

此处显示的伦敦大学学院的正电子束实验将电子和正电子结合起来,形成称为正电子的准原子,它的衰变平均寿命约为1微秒。衰变产物由标准模型很好地预测,并且通常进入2或3个光子,这取决于电子和构成正电子的正电子的相对自旋。如果电子和正电子(具有一些相同的量子数和一些相反的量子数)相互作用,则存在有限的概率,它们将通过电磁力或弱力相互作用。

由于相反的电荷,大多数相互作用将由电子和正电子相互吸引的可能性所支配。它们可以形成一种称为正电子的不稳定的原子状实体,它们在那里结合在一起,类似于质子和电子如何结合在一起,除了电子和正电子具有相同的质量。

然而,因为电子是物质而正电子是反物质,它们也可以湮灭。取决于许多因素,例如它们的相对自旋,它们将如何衰变存在有限的概率:分为2,3,4,5或更多数量的光子。(但最常见的是2或3个。)

宇宙中剩余的基本粒子质量决定了它们何时以及在何种条件下可以被创建,并且还描述了它们如何在广义相对论中曲线化时空。粒子,场和时空的属性都是描述我们所居住的宇宙所必需的。当你将电子置于电场或磁场时,光子与它相互作用以改变它的动量; 简单来说,这意味着它们会加速。因为电子也有与之相关的静止质量,由于它与希格斯玻色子的相互作用,它也在引力场中加速。然而,标准模型不能解释这一点,我们也不知道任何量子理论。

在我们有一个量子引力理论之前,我们必须把电子的质量和能量放到广义相对论中:我们的非量子引力理论。这足以为我们能够设计的每个实验提供正确的答案,但它会在某个基本水平上分解。例如,如果你问单个电子穿过双缝时引力场会发生什么,广义相对论就没有答案。

电子通过双缝隙的波形图案,一次一个。如果你测量电子经过的“哪个狭缝”,就会破坏这里显示的量子干涉图。标准模型和广义相对论的规则并没有告诉我们当电子通过双缝时,引力场会发生什么变化。这需要超出我们目前理解的东西,比如量子引力。电子是我们宇宙中非常重要的组成部分,因为我们的可观测宇宙中包含大约10 80个。它们是原子组装所必需的,它们形成分子,人类,行星等等,并且在我们的世界中用于从磁铁到计算机到宏观触觉的一切事物。

但他们拥有这些属性的原因是因为管理宇宙的基本量子规则。标准模型是我们今天对这些规则的最佳描述,它还提供了电子能够和确实相互作用的方式的最佳描述,以及描述它们不能经历的相互作用。

但是,为什么电子具有这些特殊属性超出了标准模型的范围。对于我们所知道的一切,我们只能描述宇宙的运作方式。为什么它的工作方式仍然是一个悬而未决的问题,我们没有令人满意的答案。我们所能做的只是继续调查,并努力寻求更基本的答案。