第九期：发现正电子

在上一期中，我们讨论了保罗·狄拉克在1931年5月预言正电子存在的过程。这一预言为物理学领域带来了新的视角，但实验验证却迟迟未能实现。正电子的发现，似乎触手可及，却又难以捉摸。

正电子的发现与宇宙射线的研究密切相关。宇宙射线中99.999%是高能粒子，而非电磁波。这些粒子主要由质子、氦原子核、重元素原子核、β射线和中微子等组成，它们来自太阳、超新星、中子星和黑洞等天体。宇宙射线的高能量特性，使其成为当时缺乏高能加速器的物理学家们研究高能粒子的理想来源。

美国加州理工学院是宇宙射线研究的权威机构，由物理学家罗伯特·密立根领导的团队在此领域取得了显著成果。在密立根的学生中，包括了我国著名物理学家赵忠尧先生。密立根给赵忠尧的研究课题是测量γ射线在不同物质中的吸收系数，并检验克莱因-仁科方程的正确性。

赵忠尧在实验中发现，当γ射线通过轻元素时，吸收系数与克莱因-仁科方程的预测相符。然而，在重元素中，吸收系数比预测值高出约40%，这一现象被称为“反常吸收”。此外，他还观察到辐射出来的能量异常增加。1930年，赵忠尧将这些发现发表在了《物理评论》上。

实际上，赵忠尧的发现可以用正负电子对的产生和湮灭来解释。γ射线与原子核相互作用，产生正负电子对，导致γ射线能量减少，表现为物质吸收的能量增加。随后，正负电子对迅速湮灭，产生额外的光子辐射，解释了观察到的额外辐射现象。如果赵忠尧能够继续他的研究，他可能在狄拉克预言之前就发现了正电子。但遗憾的是，由于1931年国内9·18事变，赵忠尧选择回国，与诺贝尔物理学奖擦肩而过。

赵忠尧的同学，卡尔·安德森，在研究宇宙射线时，通过云室实验观察到了一种带正电的新粒子。1932年9月，安德森发表论文，宣称发现了“类电子粒子”。编辑建议将其命名为“正电子”，这一名称便被广泛接受。安德森因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖。

正电子的发现，不仅验证了狄拉克的理论预言，也为基本粒子家族增添了新成员。

作者：妈咪说科普创作者

审核：罗会仟中国科学院物理研究所副研究员

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