微观世界的粒子.doc

宇 宙 本 原原子与亚原子世界整理 李志镔引言：欧洲核子研究中心大型强子对撞机项目相关负责人2009年9月8日对外宣布，当地时间10日上午9时30分，该中心正式启动世界最大的强子对撞机，开始对注入的第一批质子进行加速测试。约一个月后，相对运动的质子束将进行碰撞。环球时报称这一实验：开启了物理学新黄金时代。一个实验何以有如此大的力量？这个实验其实是寻找物理学的发展中的终极理论大统一理论中的一步。即要找到支配我们宇宙运行的根本理论，就必须先知道我们宇宙的基本组成是什么，从古希腊到近几十年，人们一直在讨论宇宙的基本粒子，物质的基本结构，要想回答这些问题必须先能清楚几个基本问题，物质能无限分割下去吗？什么是物质的本原？关于基本粒子的寻找虽然还远没有结束，但时至今日科学家们已经有了很多的发现，相信这些问题会在不久的将来得到解决。现在就让我们拂去时间撒在历史上的浮尘，让历史重现，进行一次微观粒子世界之游，相信在这里你会有很多惊人的发现。摘要：费米子，原子，光子，介子，奇异粒子，反粒子粒子简介根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。费米子：自旋为半整数的粒子。比如电子、质子、中子等以及其反粒子。它们符合泡利不相容原理，以及费米狄拉克统计。根据标准理论，费米子均是由一批基本费米子组成的，而基本费米子则不可能分解为更细小的粒。基本费米子分为 2 类：夸克和轻子。而这 2 类基本费米子，又分为合共 24 种味道：12 种夸克：包括上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、魅夸克 (c)、底夸克 (b)、顶夸克 (t)，及它们对应的 6 种反粒子。 12 种轻子：包括电子 (e)、渺子 ()、陶子 ()、中微子e、中微子、中微子，及对应的 6 种反粒子，包括 3 种反中微子。中子、质子：都是由三种夸克组成，自旋为1/2。奇数个核子组成的原子核。(因为中子、质子都是费米子，故奇数个核子组成的原子核自旋是半整数。)人类生存的世界，是一个物质的世界。过去，人们只知道物质有三态，即气态、液态和固态。20世纪中期，科学家确认物质有第四态，即等离子体态(plasma)。1995年，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组，首次创造出物质的第五态，即“玻色爱因斯坦凝聚态。 2004年1月29日，又是这个联合研究小组宣布，他们创造出物质的第六种形态费米子凝聚态。消息传出，国际物理学界为之振奋。专家们认为，这一成果为人类认识物质世界打开了又一扇大门，具有重大的理论和实践意义，将成为年度重大科技成果之一。研究小组负责人德博拉金表示，这项成果有助于下一代超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。下面就让我们一起进入神奇的粒子世界一探究竟吧。表格 1基本粒子名称粒子自旋统计作用光子1玻色电磁轻子e, ,e,e,12费米电磁，弱强子重子P,n,p,n12费米强，电磁，弱介子+0-0玻色强，电磁，弱原子发现之旅最早的原子论是由留基伯提出，他的学生德谟克利特总结了他的观点。大约在公元前450年，德谟克利特创造了原子这个词语，意思就是不可切割。当然这里的原子只是停留在哲学的范畴。1789年，拉瓦锡定义了原子一词，从此，原子就用来表示化学变化中的最小的单位。 1803年，约翰道尔顿用原子的概念解释了为什么不同元素总是呈整数倍反应，即倍比定律；也解释了为什么某些气体比另外一些更容易溶于水。他提出每一种元素只包含唯一种原子，而这些原子相互结合起来就形成了化合物。英国自然科学家约翰道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论，提出了世界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下三点：所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成；同种元素的原子的各种性质和质量都相同，不同元素的原子，主要表现为质量的不同；原子是微小的、不可再分的实心球体；原子是参加化学变化的最小单位，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会被创造或者消失。虽然，经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。1897年，在关于阴极射线的工作中，物理学家约瑟夫汤姆生发现了电子以及它的亚原子特性，粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。汤姆生认为电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型，汤姆生认为：正电荷像流体一样均匀分布在原子中，电子就像葡萄干一样散布在正电荷中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消；在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。汤姆生的学生卢瑟福完成的粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干布丁模型的正确性。1909年，在物理学家欧内斯特卢瑟福用氦离子轰击金箔。发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆生假设所预测值。卢瑟福根据这个金铂实验的结果指出：原子中大部分质量和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中，电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核。带正电的氦离子在穿越原子核附近时，就会被大角度的反射6。这就是原子核的核式结构行星模型。行星模型由卢瑟福在提出，以经典电磁学为理论基础，主要内容有： 原子的大部分体积是空的； 在原子的中心有一个体积很小、图表 1原子模型的改变密度极大的原子核； 原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。随着科学的进步，氢原子线状光谱的事实表明行星模型是不正确的。玻尔的原子模型为了解释氢原子线状光谱这一事实，卢瑟福的学生玻尔接受了普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。玻尔原子结构模型的基本观点是：原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，不辐射能量在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），且能量是量子化的，轨道能量值依n（1，2，3，.）的增大而升高，n称为量子数。而不同的轨道则分别被命名为K（n=1)、L(n=2)、N(n=3)、O(n=4)、P(n=5)。当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。玻尔的原子模型很好的解释了氢原子的线状光谱，但对于更加复杂的光谱现象却无能为力。1926年，薛定谔使用路易斯德布罗意于1924年提出的波粒二象性的假说，建立了一个原子的数学模型，用来将电子描述为一个三维波形。但是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值，1926年，沃纳海森堡提出了著名的测不准原理。这个概念描述的是，对于测量的某个位置，只能得到一个不确定的动量范围，反之亦然。尽管这个模型很难想象，但它能够解释一些以前观测到但是却不能解释的原子的性质，例如比氢更大的原子的谱线。因此，人们不再使用玻尔的原子模型，而是将原子轨道视为电子高概率出现的区域。 电子云模型电子具有波粒二象性，不能像描述普通图表 2通常状态下的氢原子原子云物体运动那样，他在某一瞬间处于空间的某一点，而只能指出它在原子核外某处出现的可能性（即几率）的大小。电子在原子核各处出现的几率是不同的，有些地方出现的几率大，有些地方出现的几率很小，如果将电子在核外各处出现的几率用小黑点描绘出来（出现的几率越大，小黑点越密），那么便得到一种略具直观性的图像，这些图像中，原子核仿佛被带负电荷的电子云所笼罩故称电子云。把核外电子出现几率相等的地方连接起来，作为电子云的界面，使界面内电子云出现的总几率很大（例如90或95），在界面外的几率很小，有这个界面所包括的空间范围，叫做原子轨道，这里的原子轨道与宏观的轨道具有不同的含义。原子不是基本粒子，但原子的发现经历了一个漫长的过程，并且在原子的发现之旅中也打掀了基本粒子舞台的帷幕一角，所以是意义深远的，下面我们将逐一介绍组成物质的基本粒子。基本粒子动物园之旅电子电子是人类发现的第一种亚原子，早在古希腊时期，人们就发现摩擦过的琥珀能吸引轻小物体，他们称这种现象为电。在1878年英国人威廉克鲁克斯利用一种水银真空泵，制造出了气体含量仅为盖斯勒管1/75000的，被人们称作克鲁克斯管的真空管。克鲁克斯注意到，当逐渐抽出克鲁克斯管内的气体时，阴极附近开始出现黑暗区域，随着真空度的增加，这黑暗区域也会扩张。克鲁克斯认为，这现象与阴极粒子的平均自由径有关；黑暗区域与辉光区域的界面，即为粒子与气体分子相互碰撞的起始面；在黑暗区域内，没有什么碰撞；而在辉光区域，发生了很多碰撞事件；在管面的萤光，则是因为粒子与管面发生碰撞。克鲁克斯等英国物理学家认为阴极射线并不是射线，而是一种带电粒子。这一理论再到了海因里希赫兹的反对，并且他还在阴极射线真空管外加上电场，但由于他所用的电场太弱，没有观察到阴极射线的偏转，因此他断言阴极射线不是一种粒子。1895年，让佩兰发现阴极射线能够使真空管中的金属物体带上负电荷，支持了克鲁克斯的理论。1897年，剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫汤姆逊重做了赫兹的实验。使用真空度更高的真空管和更强的电场，他观察出阴极射线的偏转，并计算出了阴极射线粒子（电子）的质量-电荷比例，因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。汤姆逊采用1891年乔治斯托尼所起的名字电子来称呼这种粒子。至此，电子作为人类发现的第一个亚原子粒子和打开原子世界的大门被汤姆孙发现了。 1896 年，在研究天然发萤光矿石的时候，法国物理学家亨利贝克勒尔发现，不需要施加外能源，这些矿石就会自然地发射辐射。这些放射性物质引起许多科学家的兴趣，包括发现这些放射性物质会发射粒子的新西兰物理学家欧尼斯特卢瑟福。按照这些粒子穿透物质的能力，卢瑟福替这些粒子分别取名为阿伐粒子和贝他粒子（“阿伐”是希腊字母的第一个字母“”，“贝他”是第二个字母“”）。 1900 年，贝克勒尔发现，镭元素发射出的贝他射线，会被电场偏转；还有，贝他射线和阴极射线都有同样的质量-电荷比例这些证据使得物理学家更强烈地认为电子本是原子的一部分，贝他射线就是阴极射线。 1909 年美国物理学家罗伯特密立根做了一个著名实验，准确地测量出电子的带电量。这实验称为油滴实验。在这实验里，他使用电场的库仑力来平衡带电油滴所感受到的引力。从电场强度，他计算出油滴的带电量。他的仪器可以测量出含有 1-150 个离子的油滴的带电量，误差小于 0.3% 。他发现每一颗油滴的带电量都是同一常数的倍数，因此，他推论这常数必是电子的带电量。汤姆孙和学生约翰汤森德使用电解的离子气体来将过饱和水蒸气凝结，经过测量带电水珠粒的带电量，也得到了相似结果。1911 年，亚伯兰约费使用带电金属微粒子，独立地得到同样的结果他发表这结果于 1911 年。但是，油滴比水滴更稳定，油滴的蒸发率较低，比较适合更持久的精准实验。 二十世纪初，实验者发现，快速移动的带电粒子会在经过的路径，使过冷却、过饱和的水蒸气凝结成小雾珠。于 1911 年，应用这理论，查尔斯威耳逊设计出云室仪器。实验者可以用照相机拍摄快速移动电子的轨道。这是早期研究基本粒子的重要仪器。质子与中子1919年，物理学家卢瑟福在粒子轰击氮原子的实验中发现质子。弗朗西斯威廉阿斯顿使用质谱证实了同位素有着不同的质量，并且同位素间的质量差都为一个整数，这被称为整数规则。1930年，科学家发现，射线轰击铍-9时，会产生一种电中性，拥有极强穿透力的射线，最初，这被认为是射线；1932年，约里奥居里夫妇发现，这种射线能从石蜡中打出质子；同年，卢瑟福的学生詹姆斯查得威克认定这就是中子，而同位素则被重新定义为有着相同质子数与不同中子数的元素。至此物理学家明确了：原子核由质子与中子组成。中子和质子都是费米子的一种，根据量子力学中的泡利不相容原理，不可能有完全相同的两个费米子同时拥有一样量子物理态。因此，原子核中的每一个质子都占用不同的能级，中子的情况也与此相同。不过泡利不相容原理并没有禁止一个质子和一个中子拥有相同的量子态。质子欧内斯特卢瑟福被公认为质子的发现人。1918年他注意到在使用粒子轰击氮气时他的闪光探测器纪录到氢核的迹象。卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子，因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子。在此之前尤金戈尔德斯坦就已经注意到阳极射线是由正离子组成的。质子是稳定粒子，平均寿命大于1032年。高能电子、子或中微子轰击质子的散射实验表明质子的电荷和磁矩有一定的空间分布，因此质子不是点粒子，而具有一定的结构。目前认为质子是由所谓夸克的基本粒子构成，由两个+2/3电荷的上夸克和一个-1/3电荷的下夸克通过胶子在强相互作用下构成。中子中子是原子中质量最大的亚原子粒子，自由中子的质量是电子质量的1839倍，为1.692910-27kg。 中子和质子的尺寸相仿，均在2.510-15m这一数量级，但它们的表面并没能精确定义。中子由一个上夸克和两个下夸克组成，两种夸克的电荷相互抵消，所以中子不显电性，但，认为“中子不带电”的观点是错误的。而对于某种特定的元素，中子数是可以变化的，拥有不同中子数的同种元素被称为同位素。中子数决定了一个原子的稳定程度，一些元素的同位素能够自发进行放射性衰变。最早认识到的质子、中子间的核力属于强相互作用，是质子、中子结合成原子核的作用力，由介子传递；后来进一步认识到强子是由夸克组成的，强作用是夸克之间的相互作用力，由胶子来传递。介子介子是在研究强相互作用时首先由汤川秀树预言存在的一种粒子，因其质量介于电子质量和核子质量之间，故称为介子。后来，英国布利斯托尔大学的鲍威尔发现了研究核过程的光学方法，并用这一方法做出的有关介子的发现。实验发现两种质量介于电子和核子质量之间的粒子，一种称为介子,一种称为介子，前者自旋等于媡/2，不参与强相互作用,后者自旋等于零,参与强相互作用。目前实验上已发现许多参与强相互作用自旋为 媡的整数倍的粒子，质量有在电子和核子之间的，也有大于核子质量的,但都统称为介子。对于自旋为媡/2且不参与强相互作用，以前被称为介子的粒子，现在称为子，它属于轻子。 自旋为零的介子中宇称为正或为负的分别称为标量介子和赝标介子，自旋为1的介子中宇称为正或为负又分别称为轴矢介子和矢量介子。按内部量子数，已发现的介子可分为非奇异介子(、J/等)、奇异介子（K、Q、K*等）、粲非奇异介子(D)、粲-奇异介子(F)和底非奇异介子(B)等。曾经认为介子是基本粒子,但实验表明介子有着内部的结构。目前认为,已发现的介子，都是由一对正反夸克构成的，一般在产生后不久既发生衰变，因此不能稳定存在。夸克1964年，美国物理学家默里盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元夸克组成的。它们具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2或-1/2。 最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克1(strange,s)。1974年发现了J/粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。夸克理论认为，所有的重子都是由三个夸克组成的，比如质子（uud），中子（udd）；反重子则是由三个相应的反夸克组成的。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子（sss），这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负粒子。顶、底、奇、魅夸克由于质量太大（参见下表），很短的时间内就会衰变成上夸克或下夸克。中国的部分物理学家称夸克为层子，因为他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。 在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，还具有三种“色”的特性，分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色，而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克。胶子在物理学中，胶子是一种负责传递强核力的玻色子。它们把夸克捆绑在一起，使之形成质子、中子及其他强子。胶子的电荷为零，但自旋是 1。它们通常假设为无质量，但亦可能有大至几百万电子伏特（MeV）的质量。胶子是维持原子核穏定的重要一环。 在量子色动力学（QCD，是一广为接受描述强核力的理论）中，当两颗粒子色荷互相作用时便会交换胶子。当两颗夸克交换胶子时，它们自身的色彩亦同会时改变；胶子会携带发出者的反色彩以补偿发出者的色变，它亦会携带接收者的色彩。因胶子本身有色，故它们亦能与其它胶子互相作用，令到对于强核力的数学分析十分复杂和困难。 1980年代早期，位于汉堡的德国电子加速器（DESY）的大规模电子-正子碰撞器凭一明显的三重喷流结构显示了胶子的存在；其第三喷流被认定为一个产生了的夸克发出胶子。 中微子科学家们发现，在量子世界中，能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的，而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的。这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的，是符合量子世界的规律的。奇怪的是，物质在衰变过程中释放出的由电子组成的射线的能谱却是连续的，而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量失踪了。 1930年，奥地利物理学家泡利提出了一个假说，认为在衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去，带走了另一部分能量，因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱，以至仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值，能量守恒仍然成立，只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。当时泡利将这种粒子命名为“中子”，最初他以为这种粒子原来就存在于原子核中。但在1931年，泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变产生的。1932年真正的中子被发现后，意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”。 1942年6月，物理评论发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果，证实了中微子的存在，但当时的实验不是非常成功，直到1952年，艾伦与罗德巴克合作，才第一次用成功地完成了实验，同一年，戴维斯也实现了王淦昌的建议，并最终证证明中微子不是几个而是一个。 近年来物理学家发现在微观世界中，中微子一直是一个无所不在、而又不可捉摸的过客。中微子产生的途径很多, 如恒星内部的核反应，超新星的爆发，宇宙射线与地球大气层的撞击，以至于地球上岩石等各种物质的衰变等。尽管大多数科学家承认它可能是构成我们所在宇宙中最常见的粒子之一，但由于它穿透力极强，而且几乎不与其它物质发生相互作用，因此它是基本粒子中人类所知最少的一种。奇异粒子20世纪40年代切罗斯特和布特勒等发现一批不速之客一批当时无法解释的新粒子。这批新粒子包括两大类：一类是比介子更重的粒子（重介子），如K+，K0，K-，K0;一类是比核子更重的重子（超子），如，+，0，-等，它们的奇特性质是：当它们由于粒子之间相互碰撞而产生时，总是一起产生，而且产生得很快，可是衰变却各自独立地行事，而且衰弱得很慢。简单说来，就是它们总是协同产生、非协同衰变。1953年盖耳曼用一个新的量子数，即奇异数来表述这一特性，并假定在强相互作用中奇异数守恒，而在弱相互作用中奇异数可以不守恒，这样就可以对奇异粒子的特性作出恰当的解释。1947年在宇宙射线的研究中，首先观察到了奇异粒子，但只是在1954年加速器实验中产生了奇异粒子之后，再经过系统研究，这类粒子的“奇异”特性才逐渐明朗。镜中宇宙反粒子正电子1928年英国物理学家狄拉克提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程。利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g因子为轨道角动量情形时朗德g因子的2倍。电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质，是理论上的重大进展。利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质，这些结果都与实验符合得很好。这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性量子力学方程。既然实验已充分验证了狄拉克方程的正确，人们自然期望利用狄拉克方程预言新的物理现象。按照狄拉克方程给出的结果，电子除了有能量取正值的状态外，还有能量取负值的状态，并且所有正能状态和负能状态的分布对能量为零的点是完全对称的。自由电子最低的正能态是一个静止电子的状态，其能量值是一个电子的静止能量，其他的正能态的能量比一个电子的静止能量要高，并且可以连续地增加到无穷。与此同时，自由电子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的负值，其他的负能态的能量比这个能量要低，并且可以连续地降低到负无穷。这个结果表明：如果有一个电子处于某个正能状态，则任意小的外来扰动都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出能量。同时由于负能状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱，这个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断地继续下去，这样任何一个电子都可以不断地释放能量，成为永动机，这在物理上显然是完全不合理的。针对这个矛盾，1930年狄拉克提出一个理论，被称为空穴理论。这个理论认为由于电子是费米子，满足泡利不相容原理，每一个状态最多只能容纳一个电子，物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子，同时正能态中没有电子的状态。因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态，也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量，也就是说不能输出任何信号，这正是真空所具有的物理性质。按照这个理论，如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去，需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量。这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴。这个正能状态的电子带电荷-e，所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量。按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求，这个负能状态的空穴应该表现为一个带电荷为+e的粒子，这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量。这个粒子的运动行为是一个带正电荷的“电子”，即正电子。1932年狄拉克的预言很快被实验证实了，那是美国物理学家安德森（19051991）在研究宇宙射线在磁场中的偏转情况时发现的。当时，他正同密立根（基本电荷的测定者）一起研究宇宙线是电磁辐射还是粒子的问题。那时大多数人同意康普顿的论证，认为宇宙射线是带电粒子，密立根对此很不满意。安德森于是想弄清楚进入云室的宇宙射线在强磁场作用下会不会转弯。他在云室中拍摄了一张照片，这张照片使他一夜没合眼。他发现，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。这就是说，这种前所未知的粒子与电子的质量相同，但电荷却相反，而这恰好是狄拉克所预言的反电子。当时安德森并不知道狄拉克的预言，他把所发现的粒子叫做“正电子”。第二年，安德森又用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。从此以后，正电子便正式列入了基本粒子的行列。正电子的发现，引起了人们极大的兴趣。人们很快就查明，正电子不但存在于宇宙射线中，而且在某些有放射性核参加的核反应过程中，也可以找到正电子的径迹。实验发现，利用能量高于1兆电子伏的射线辐射铅板、薄金属箔、气态媒质等都有可能观察到正电子的出现。而且正电子总是和普通电子成对地产生，它们所带的电荷相反，因而在磁场里总是弯向不同的方向，此外，电子对湮灭成光子对的说法也得到实验证实。美学物理大师狄拉克完美的理论预言了正电子的存在，以及物理学家发现正电子揭开了反粒子世界的序幕，由此人们发现了我们宇宙的对称之美。其它反粒子电子对的产生及湮灭使人们对基本粒子的认识发生了重大的变化，人们不得不重新考虑究竟什么是基本粒子问题。本来基本粒子意味着这些粒子是构成物质最基本的、不可再分的单元，像电子这样的基本粒子既不能产生，也不会消灭。但现在发现在适当的条件下，正、负电子对可以成对