В медицинских ПЭТ-сканерах используют процессы с участием позитронов — античастиц электрона. Для Поля Дирака такая частица сначала была следствием математической теории. Он пытался точнее описать электрон и столкнулся с выводом, который выходил за пределы известных тогда частиц.
Кто такой Поль Дирак
Поль Адриен Морис Дирак родился в Бристоле в 1902 году. Сначала он получил образование инженера-электрика, затем изучал математику. В 1923 году приехал в Кембридж заниматься исследованиями под руководством Ральфа Фаулера. Там Дирак включился в работу над новой физикой атомов, из которой складывалась квантовая механика. В 1930 году вышла его книга «Принципы квантовой механики» — один из основных учебников для следующих поколений физиков.
Как Поль Дирак объединил квантовую механику с теорией относительности
К тому времени квантовая механика позволяла рассчитывать энергетические состояния электронов в атомах. Уравнение Шредингера успешно решало многие задачи, однако в привычной форме не учитывало требования специальной теории относительности. При больших скоростях это ограничение становилось существенным: связь между энергией и движением частицы должна соответствовать законам Эйнштейна.
Дирак искал уравнение, которое одновременно сохраняло бы квантовое описание электрона и согласовывалось со специальной теорией относительности. В 1928 году он опубликовал решение. Из новой теории естественно следовал спин электрона — его внутреннее квантовое свойство, связанное с магнитным поведением. Это свойство было известно и раньше, но теперь получалось из самого уравнения. Вместе с успешным описанием электрона теория принесла трудность: она допускала состояния с отрицательной энергией. Их физический смысл предстояло объяснить.
Как Дирак предсказал существование антиматерии
Дирак предложил модель, в которой состояния с отрицательной энергией уже заняты электронами. Обычный электрон не мог бы перейти в уже занятое состояние. Свободное место среди них — «дырка» — должно было вести себя как частица с положительной энергией и положительным зарядом. Первоначально физик пытался связать ее с протоном, который уже был известен экспериментаторам.
Однако масса такой частицы должна была совпадать с массой электрона. Протон гораздо тяжелее и на эту роль не подходил. В 1931 году Дирак предсказал новую частицу — антиэлектрон. У него должна быть та же масса, что у электрона, и противоположный электрический заряд. Физик также предположил, что у протона может существовать собственная античастица.
Позитрон — одна из частиц антиматерии. При встрече электрон и позитрон могут аннигилировать: исходная пара исчезает, а ее энергия передается образовавшимся частицам, например фотонам.
Кто открыл позитрон и подтвердил теорию Дирака
В 1932 году американский физик Карл Андерсон исследовал космическое излучение в Калифорнийском технологическом институте. Он использовал камеру Вильсона: пролетавшие заряженные частицы оставляли в ней цепочки капель, которые можно было фотографировать. Магнитное поле искривляло траектории и помогало определить знак заряда.
На одном из снимков Андерсон зафиксировал след положительно заряженной частицы, слишком легкой для протона. Понять, куда она двигалась, помогла свинцовая пластинка внутри камеры. Пройдя через нее, частица потеряла часть энергии, и ее путь стал изгибаться сильнее. Без этой детали положительную частицу можно было бы спутать с электроном, летящим в обратную сторону.
Новая частица получила название «позитрон» и стала экспериментальным подтверждением предсказанного антиэлектрона. Андерсон изучал состав космического излучения; его работа не была специально организованной охотой за частицей Дирака. Теоретическое предсказание и независимый эксперимент сошлись в одном результате.
За что Поль Дирак получил Нобелевскую премию
В 1933 году Дирак разделил Нобелевскую премию по физике с Эрвином Шредингером. Официальная формулировка — «за открытие новых плодотворных форм атомной теории». Ему был 31 год. Награда отмечала создание новых способов описывать атомный мир; релятивистская теория электрона была важнейшей частью вклада Дирака. За открытие позитрона Андерсону присудили половину Нобелевской премии по физике 1936 года.
Дирак десятилетиями работал в Кембридже, занимая пост Лукасовского профессора математики. Последние годы провел в Таллахасси, работая во Флоридском университете штата. Там он умер 20 октября 1984 года, в возрасте 82 лет.
Ранее Наука Mail рассказала, как физики наблюдали волновое поведение позитрония — системы из электрона и позитрона.