学习大学物理课程中关于对正电子的理解

许众

【摘 要】正電子，又称阳电子、反电子、正子，基本粒子的一种，带正电荷，质量和电子相等，是电子的反粒子。最早是由狄拉克从理论上语言的。1932年8月2日，美国加州理工学院的安德森等人向全世界庄严宣告，他们发现了正电子。正负电子一旦相遇，则发生湮灭，是正电子的最基本性质。在这之前是不具有我们理解的正电子的最基本性质。那么对于大学生在学习大学物理中该如何理解正电子，本人在文章简单介绍了正电子的发现过程，让大学生对正电子的概念有一个基本的了解。

【关键词】正电子；狄拉克方程；湮灭；空穴

1.引言

正电子的理论预言和实验发现揭开了反粒子的发现之幕，这也无疑是近代物理界的极为重要的和极其有意义的发现，它的发现标志着我们对物质的内涵有了更进一步的理解，尤其是对基本粒子的认识进一步加深。构成物质的基本粒子是既不能产生，也不会湮灭，如电子，我们通常的电子都是指带负电，而且规定电子所带的电量大小为单位电量，直到正电子的发现，对基本粒子的认识翻开了新的一页。现如今，我们发现在一定条件下，正、负电子可以相互转化，成对的产生或者湮灭。我们在认识世界的过程中，总是从感性上升到理性，通过概括和整理，使之成为概念。本文简单介绍我们该如何去理解正电子的概念，这就是本文探索的目的。

2.正电子的理论来源

1928年，英国物理学家提出了著名的狄拉克方程，该方程式描述自旋为粒子的波函数方程，是对薛定谔方程进行洛伦兹变换得到的，它同时遵循狭义相对论与量子力学的原理，是相对论量子力学重要基础。

狄拉克1928年提出了合理真空理论假说——狄拉克之海，认为这些粒子是电子的反物质，很好的解释了方程中反常的负能量问题，对反粒子的存在做出了合理的预言。

此外，根据狄拉克方程求解得到的结果，电子不仅有能量取正值的情况，还有负值的情况，而且正负态关于能量为零的点完全对称。虽然这个结果很有意思，但解释起来遇到了“永动机”的问题，这与物理基本规律是肯定矛盾的。针对这个矛盾，狄拉克于1930年提出了空穴理论。该理论考虑了电子是费米子，那就必须满足泡利不相容原理，负电子填满了所有的真空状态，这样电子就不能找到能量更低的态，而且正能量态中也就没有电子，所以任何一个电子都不能找到能量更低的状态，也就是说整个系统非常稳定，电子不可能跳到能量更低的状态，对外辐射能量。此外，我们至少需要两倍于电子静止质量的能量，才能把某个电子从原来的负能态激发到正能态，可以看作一个正能态对应着一个负能态空穴。正能态电子所带电荷为-e，而且所具有的能量大于或等于一个电子静止能量，因为它们必须满足电荷守恒定律和能量守恒定律，所以负能态的电子的带电量应该就是+e，能量也应该大于或等于一个电子静止能量。这个粒子就是狄拉克所预言的“正电子”。

3.实验发现

狄拉克本人虽然对理论作出了完美的解释，空穴理论给出了反粒子概念，但实验上还并没有观测到正电子，正电子理论并没有得到学术界的承认，包括狄拉克本人，当时也不是完全确认理论自身的正确性。

不过，狄拉克的预言因为找到实验上的证据被证实了。1932年，美国物理学家安德森等人在研究宇宙射线是电磁辐射还是单纯的粒子问题，观察到高能光子穿过重原子核附近时在磁场中的偏转情况，这一细节引起了他的注意，虽然当时著名的物理学家康普顿做出了解释，但并没有使安德森及其合作者信服，随着后来的观测，在云室中拍摄了一张照片，发现宇宙射线进入云室穿过铅板后，轨迹确实发生了弯曲，而且，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全一样，但是弯曲的方向却“错”了。第二年，安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子，从而从实验上完全证实了正电子的存在，正电子得到学术界的广泛认可。

4.结束语

对于大学生本科生来说，我们大学生在学习大学物理中该如何理解正电子，本人认为我们大学生要了解一些有关于正电子的理论来源，从源头了解正电子的实质。当然考虑到本科生物理知识有限还不具备研究高等量子力学的客观条件所以大学生只需了解其基本大意就行，对于某些学有余力的同学可以刨根问底，可以说这对学生的学习能力能有一定的提高和发展。但我们大学生要对正电子的性质与概念要有清楚的了解，一定要区分开正电子与空穴，两者有极其相似的地方。但本质不同。正电子真实存在的。如同电子、质子一样时基本粒子而空穴则不然，它是一个为方便解决物理问题而创造出的一种概念不是真实存在的，这一点我们要清晰。

【参考文献】

[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