[科普中国]-正负电子对形成

正负电子对形成是指当光子能量大于两个电子的静止质量(即大于1.02MeV)时，它们与物质相互作用可产生一对一正、负电子对，而光子本身则消失。

正电子的发现中子发现后不久， 1932年安德森发现了正电子，当他用威耳逊云室研究宇宙线时，在所拍摄的照片中发现若干弯曲的带电粒子径迹，经过研究证明，形成这些径迹的粒子的质量与电荷数应该与电子相同，但它的径迹的弯曲方向却与电子的相反，因此说明这粒子的电荷应该是正的，称它为“阳电子(或正电子)”。

其实安德森在实验上发现正电子之前，狄拉克(1928)由相对论量子力学理论预言有正电子的存在。在求解自由电子的狄拉克方程时，给出两部分电子能量本征值，一部分从 到 ，另一部分从 到 。这就是说电子除了有正能量外还有负能量。由以上结果可见，电子的能量分布在二个间隔为 的连续区域内，如图1所示，如果电子从负能量区向正能量区过渡时，至少需要 的能量。

但一个处于负能区的电子将表现出奇怪的特性，因为它的能量是负的，它应具有负质量，所以它将具有与力的方向相反的加速度等异于通常粒子的性质，然而这种电子，人们却从来没有观察到过，为了克服这个困难，狄拉克提出了下列假设：在正常状态下，所有负能量的能量状态都被电子所填满，而正能量的状态则仅局部被占据，因为所有负能量的状态都被填满，因此有无限多的负能量电子均匀分布在负能量区域，形成所谓“本底”，所以平时不易察见它们。但如当某个负能量电子吸收了能量E( )，而从负能量区跃迁到正能量区后，在均匀的本底中就留下所谓“空穴”， 这样我们就可一方面发现具有正能量的通常电子，另一方面同时又察见那个“空穴”，但这个“空穴”和具有负能量的电子本身不同，而将与带有正电的通常粒子的性质相类似。狄拉克起初认为这种“空穴”就是质子，但后来知道它们的性能应该和具有等于电子质量的粒子相同。正电子的发现证实了这种带正电的电子的存在1。

电子对的产生与质湮辐射能量大于两倍电子静止能量的 光子，它与实物相互作用时，例如在云室中穿过铅板时，可发现有一对曲率相反的电子对径迹。

这可用狄拉克理论来说明，根据狄拉克理论，正能量电子区域与负能量电子区域的间隔为 ，所以如果有一个 光子，它的能量 ，就有可能被负能量区的一个电子所吸收，该电子被激发而跃迁到正能量区域，表现为一个正能量的电子 ，同时留下的“空穴”则表现为一个正能量正电子 ，合起来看，则在原子核旁发生如下产生电子对的过程：

上述过程于1933年确被安德森在云室实验中发现。

与产生电子对相反的过程，即一个正电子与一个负电子相结合而转变为 光子的过程也曾被观察到，因为这种效应要同时遵守能量守恒与动量守恒，所以 光子必然成对产生，而且在质心坐标系中两个 光子的投射方向相反，正负电子对转变为 光子的过程，在一般文献中波称为“湮没辐射”。物理学中的一些唯心主义流派将正负电子对转变为 光子的现象当作“物质消灭了”的证据，实际上，这是物质由一种形式(实物)向另一种形式(场)的转变过程，物质并没有消灭，在转变过程中，根据质量能量联系定律，实物的静止质量变成了场的运动质量，实物的“潜在的”能量变成了场的“活跃的”能量，质量与能量仍然守恒。

正电子 是人类第一次在实验上发现的“反粒子。 和 是一对正、反粒子，而正、反粒子的成对存在是自然界的普遍现象。凡有一种粒子，必然有其对应的反粒子存在，即使不带电的中性粒子也不例外。从1955年起陆续发现了反质子、反中子、反中微子、反介子和反超子等。正粒子与反粒子有相同的质量、自旋、寿命，而电荷等值异号，磁矩方向相反。从理论上讲，还应该有反原子核、反原子、反物质、反星体等等1。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学