Positron

Positron ehk antielektron (tähis e+ või β+) on osake, mille elektrilaeng on +1e, spinn on ½ (sama mis elektronil) ja ka seisumass on sama mis elektronil. Positron on elektroni antiosake. Kui positron põrkab kokku elektroniga, toimub annihilatsioon. Kui see kokkupõrge toimub madalal energiatasemel, tekib kaks või enam footonit.

Positrone võib tekkida β+-lagunemise teel või paari tekke protsessis, kui piisava energiaga footon interakteerub materjali aatomiga. Positroni ja elektroni kohtumisel võib moodustuda ka liitosake positroonium, mis 143 nanosekundi möödumisel annihileerub.

Ajalugu

Positroni olemasolu teoreetiline ennustus

1928. aastal avaldas Paul Dirac teadusartikli, kus ta pakkus välja, et elektronil võiks olla nii positiivne laeng kui negatiivne energia. Artiklis avaldati esmakordselt Diraci võrrand, milles on ühendatud kvantmehaanika, erirelatiivsus ja spinn, et seletada Zeemani efekti. Artiklis ei ennustatud otseselt uue osakese olemasolu, kuid Diraci võrrand lubas elektronil omada nii positiivset kui ka negatiivset energiat. Positiivse energiaga lahend seletas katsetulemusi, kuid Dirac ei teadnud, mida arvata negatiivse energia lahenditest oma võrrandeile. Kvantmehaanika ei lubanud neid tulemusi ignoreerida, nagu seda klassikaline mehaanika sageli lubas. Duaalne lahend tõi kaasa võimaluse, et elektron võiks spontaanselt hüpata positiivsete ja negatiivsete energiaolekute vahel. Seda aga polnud täheldatud ühestki katsest. Dirac kirjutas 1929. aasta detsembris järjeartikli, kus ta üritas tekkinud probleemile seletust pakkuda. Ta väitis, et „...negatiivse energiaga elektron liigub välises [elektromagnet] väljas nii, nagu oleks tal positiivne laeng.“ Ta arutleb veel, et kogu ruumi saab võtta kui negatiivse energiaoleku „merd“, mis on täidetud nii, et takistaks elektrone hüppamast positiivse energia (negatiivse elektrilaengu) ja negatiivse energia (positiivse laengu) vahel. Artiklis uuritakse ka võimalust, et prooton on saar selles meres ja et ta võibki olla negatiivse energiaga elektron. Dirac tunnistas, et prootoni palju suurem mass on probleemiks, kuid väljendas „lootust“, et tuleviku teooriad lahendavad selle mure. Robert Oppenheimer oli rangelt vastu mõttele, et prooton võiks olla negatiivse energia lahendiks Diraci võrrandile. Ta väitis, et kui see oleks nii, siis hävineks vesiniku aatom väga kähku. Olles Oppenheimeri väite poolt ümber veendud, avaldas Dirac 1931. aastal artikli, kus ta ennustas tol ajal veel avastamata osakese olemasolu. Osakese nimeks pani ta „anti-elektron“, mil oleks sama mass kui elektronil ning mis hävineks viimasega kokkupuutel.

Eksperimentaalne avastamine

Dmitri Skobeltsõn täheldas esmakordselt positroni olemasolu aastal 1929. Ta üritas Wilsoni mullikambrit kasutades leida gammakiiri kosmilises kiirguses. Skobeltsyn detekteeris osakesi, mis käitusid nagu elektronid, kuid kaardusid magnetväljas vastassuunas. Chung-Yao Chao, USA California Tehnoloogiainstituudi vilistlane, märkas samal aastal ebatavalisi tulemusi, mis viitasid osakestele, mis käituvad nagu elektronid, kuid omavad positiivset laengut. Katse tulemused aga olid ebaveenvad ja selle tõttu ei uuritud nähtust edasi.

Carl D. Anderson avastas positroni 2. augustil 1932 ning sai selle eest aastal 1936 ka Nobeli füüsikaauhinna. Anderson oli samuti sõna "positron" loojaks. Positron oli esimene märk antimateeria olemasolust. Katse, mille käigus antiosake leiti, toimis nii, et lasti kosmilistel kiirtel läbida mullkambrit ja tinaplaati. Magnet ümbritses kogu seadet, kõverdades osakeste liikumise trajektoore vastavalt nende elektrilisele laengule. Läbitud trajektooril tekivad ioonid, mis salvestatakse fotoplaadile. Andmete põhjal järeldati, et uuritud osakese massi ja laengu suhe on sama mis elektronil, kuid trajektoori vastupidisest kaardumisest järeldati positiivne laeng.

Anderson kirjutas hiljem, et positroni oleks võinud ka varem avastada, kui poleks vaid Chung-Yao Chao tööd pooleli jäetud.

Positronide tekitamine

Positrone saab radioaktiivsete osakeste β+-lagunemisel, näiteks 22Na lagunemisel vastavalt reaktsioonile 22Na -> 22Ne + β+ + νe + γ. Naatriumi isotoop annab küllaltki suure osakaaluga positrone – 90,4%. Sellel meetodil on ka teisi häid külgi. Esiteks peaaegu samaaegne 1,27 MeV γ-kvandi teke positroniga, lubab viimase eluea mõõtmist. Teiseks on laboris naatriumit lihtne saada sellistest sooladest nagu naatriumkloriid või naatriumatsetaat. 2,6-aastane poolestusaeg ja mõistlik hind teevad selle isotoobi enimkasutatud materjaliks positroni uurimisel. Oht laboritöötajatele on samuti väike, kuna aine bioloogiline poolestusaeg on kõigest mõni päev. Lisaks 22Na-le kasutatakse ka teisi isotoope (64Cu, 58Co, jne), kuid harvemini.

Teine positronide tekitamise viis on genereerida neid paari tekke kadu. Sel juhul peatatakse elektronkiir kiirgusneelajas, kus on kõrge aatomnumbriga tuumad, et tekitada pärsskiirguse gammakiiri. Kui kiirendatud elektronide energia on piisavalt suur, siis on ka elektron-positronpaaride tekke tõenäosus piisavalt suur. Sellise meetodiga saab pulseeriva positronkiire.

Veel üks viis positronide saamiseks on läbi tuumareaktsioonide. Välja pakutud Steini töörühma poolt aastal 1974. Meetod kujutab endast suure energiaga prootonite kiirendamist boori aatomite pihta, mille tulemusena vabaneb positronide voog.

Järjekordne positronide tekitamise viis on 113Cd (n, γ) 114Cd reaktsioon, mille käigus vabaneb kolme γ-kvanti summaarse energiaga 9,041 MeV, mida saab kasutada paaride tekke jaoks. Selle meetodi eelis on, et tulemuseks on pidev kõrge intensiivsusega positronide voog.

Uusimad võtted on märkimisväärselt suurendanud positronide arvu, mida saab ühe katse ajal tekitada. Füüsikud Lawrence Livermore National Laboratorys USA California osariigis kasutasid lühikest üliintensiivset laserit, et kiiritada millimeetripaksust kuldmärklauda, ning tekitasid selle tulemusena üle 100 miljard positroni.

Kasutusalad

Teatud tüüpi osakestekiirendi katsetes põrkuvad positronid ja elektronid kokku relativistlikel kiirustel. Nende vastandlike aine- ja antiaineosakeste suur kokkupõrkeenergia ja vastastikune annihilatsioon tekitavad mitmesuguseid subatomaarseid osakesi. Füüsikud uurivad nende kokkupõrgete tulemusi, et kontrollida teoreetilisi ennustusi ja otsida uut tüüpi osakesi.

ALPHA-eksperimendis ühendatakse positrone antiprootonitega, et uurida antivesiniku omadusi.

Materjaliteaduses kasutatakse eksperimentaalmeetodit nimega positronide annihilatsiooni spektroskoopia (PAS), et tuvastada tahkes materjalis tiheduse kõikumisi, defekte, nihkeid või isegi tühimikke.

Haiglates kasutatavad positronemissioontomograafid (PET) registreerivad gammakiirgust, mida kiirgavad kaudselt märgistusained.

PET ja selle kasutus meditsiinis

Positronemissioontomograaf on piltdiagnostika aparaat, mida kasutatakse meditsiinis inimkeha uurimisel. PET erineb teistest piltdiagnostika viisidest meditsiinis selle poolest, et ei vaadata otseselt keha, vaid jälgitakse kehas toimuvaid protsesse. Süstitakse või antakse suu kaudu väga väikestes kogustes radioaktiivset ainet (näiteks 15O isotoop) koos mõne teise kemikaaliga, nagu glükoos, mis sihib spetsiifilisi molekule, elundeid või kudesid. Seejärel radioaktiivne aine laguneb, tootes positrone, mis annihileeruvad elektronidega. Jälgitakse tekkinud gammakiiri.

Tomograaf sarnaneb välimuselt CT- ja MRT-tomograafiga. Sees on mitu ringi detektoreid, mis registreerivad gammakiirte energiavoogu keha seest.

PETi kasutatakse

  • eri liiki vähi avastamiseks (nende hulgas rinna-, emakakaela-, pea-, kaela-, vere-, kopsuvähk),
  • vähi levimise uurimiseks kehas,
  • raviplaani edukuse hindamiseks,
  • et teada saada, kas vähk on tagasi tulnud,
  • vere liikumise uurimiseks südamelihases,
  • südameinfarkti tagajärgede uurimisel,
  • südame piirkondade identifitseerimiseks, kus oleks tarvis opereerida,
  • neuroloogiliste haiguste, nagu Alzheimeri, Parkinsoni tõve, dementsuse, epilepsia, mäluhäirete uurimiseks,
  • normaalse aju- ja südametöö uurimisel.

Vaata ka

Viited

  1. ↑ P. A. M. Dirac. "The quantum theory of the electron" (PDF).
  2. ↑ P. A. M. Dirac. "A Theory of Electrons and Protons" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 22. juuni 2007. Vaadatud 3. novembril 2011.
  3. ↑ Frank Close (2009). Antimatter. Oxford University Press. Lk 46. ISBN 978-0-19-955016-6.
  4. ↑ P. A. M. Dirac (1931). "Quantised Singularities in the Quantum Field". Proc. R. Soc. Lond. A. 133 (821): 2–3. Bibcode:1931RSPSA.133...60D. DOI:10.1098/rspa.1931.0130. Originaali arhiivikoopia seisuga 16. juuli 2017. Vaadatud 3. novembril 2011.
  5. ↑ Frank Close. Antimatter. Oxford University Press. Lk 50–52. ISBN 978-0-19-955016-6.
  6. ↑ general chemistry. Taylor & Francis. Lk 660. GGKEY:0PYLHBL5D4L. Vaadatud 15. juuni 2011.
  7. ↑ Cowan, Eugene (1982). "The Picture That Was Not Reversed". Engineering & Science. 46 (2): 6–28.
  8. ↑ Jagdish Mehra, Helmut Rechenberg (2000). The Historical Development of Quantum Theory, Volume 6: The Completion of. Quantum Mechanics 1926–1941. Springer. Lk 804. ISBN 978-0387951751.
  9. ↑ Anderson, Carl D. (1933). "The Positive Electron". Physical Review. 43 (6): 491–494. Bibcode:1933PhRv...43..491A. DOI:10.1103/PhysRev.43.491. ISSN 0031-899X.
  10. ↑ The Nobel Prize in Physics 1936
  11. ↑ Dr. G. Amarendra: Positron Sources positronannihilation.net
  12. ↑ Mall:Cita publicación
  13. ↑ "Introduction to Positron Research". St. Olaf College. Originaali arhiivikoopia seisuga 5. august 2010. Vaadatud 22. oktoobril 2026. {{cite web}}: eiran tundmatut parameetrit |arhiivi-kuupäev= (juhend); eiran tundmatut parameetrit |arhiivi-url= (juhend)
  14. ↑ Phelps, M. E. (2006). PET: physics, instrumentation, and scanners. Springer. Lk 2–3. ISBN 978-0-387-32302-2.
  15. ↑ The Science Creative Quarterly
  16. ↑ Positron Emission Tomography – Computed Tomography (PET/CT) radiologyinfo.org