湮没

物理现象

当一种基本粒子和它的反粒子相遇时，两个粒子一起“消失”而转化为新的基本粒子并伴随能量辐射的现象。例如，正电子只能存在一瞬间，当正电子与通常的电子相遇时会发生湮灭，此时正负电子都消失而出现一对γ光子。

湮灭反应

英国物理学家狄拉克把量子力学与高速运动所必须的相对论力学相结合导致产生了反物质的概念。1932年，由美国物理学家安德逊在宇宙射线中发现了正电子，从而证实了狄拉克的理论。

在宇宙中，天文学家们发现经常会出现一种爆炸，经过科学家们的分析，这种爆炸是由正、反物质的湮灭其遵守爱因斯坦的质能守恒定律E=mc^2中E为湮灭产生能量，m为物质湮灭前总质量，c为光速3x10^8米/秒。举例来说，二分一克反物质湮灭所产生的能量和广岛市原子弹爆炸所产生的能量相当。(即是一克反物质湮灭所产生的能量约为20-30千吨TNT当量，或者是大约200万千卡)引起的，威力巨大，同时伴随有γ射线的产生，景象十分壮观。

湮灭一旦发生，正反物质的质量将全部转化为能量，按照爱因斯坦的质能公式E=mc^2释

放巨大的能量，就所知道的所有物理反应而言，这是效率最高的燃烧方式。我们可以比较一下每公斤星际飞船发动机燃料的效果，很

理想的化学反应可以产生1×10^7焦耳的能量，核裂变产生8×10^13焦耳，核聚变产生3×10^14焦耳，而反物质的湮灭能产生9×10^16焦耳，是氢氧化学反应的1百亿倍，太阳核心热核反应的300倍。

一片阿司匹林那么大的反物质同物质湮灭产生的能量足以让一艘飞船巡弋数百光年，而航天飞机那么巨大的燃料箱和推进器中的燃料完全可以用100毫克的反物质代替。据科学家们估算，每百万分之一克的反质子与质子发生湮灭(爆炸)后释放的能量相当于37.8公斤的TNT炸药，其威力之大令世人震惊。

正电子湮没

正电子湮没是指正电子射入凝聚态物质中，与周围达到热平衡后，与电子湮没的同时发射出γ射线。正电子湮没技术对原子尺度的缺陷十分敏感，因此，它是研究纳米微晶材料结构和缺陷的一种十分有效的手段。纳米材料中如果含有空位、位错或空洞等缺陷时，由于这些缺陷会强烈吸引正电子，使得正电子湮没产生一定的时间延迟（即正电子寿命），通过对正电子湮没图谱的分析，可以知道正电子寿命，从而提供纳米材料的电子结构或者缺陷结构的一些有用信息。

湮没过程

正电子是电子的反粒子，两者构成反物质。正电子只有在没有电子的地方才是稳定的，一旦遇到电子，它们就发生相互作用而湮没。正电子与电子的湮没辐射是一个相对论过程，遵循电荷、自旋、能量、动量守恒和选择定则，一个正电子进入介质后，通过与离子、电子的非弹性散射等相互作用，在极短的时间内就几乎失去其全部动能，成为与分子热运动相平衡的热化正电子，然后以kT量级的动能在介质中扩散、迁移，直到与一个电子相遇而湮没辐射出γ光子。根据正电子-电子对的状态，可湮没辐射出单γ光子、双γ光子、三γ光子，以致多个γ光子。因为动量守恒的缘故，单γ光子湮没辐射仅当正电子与原子的最内壳k层的电子相互作用，或者说仅当存在能吸收反冲动量的第三个粒子（电子或原子核）时，才会发生，其几率很小，可忽略。当正电子与原子的外壳层电子或自由电子的相对自旋取向反平行时，发生双γ光子湮辐射，相对自旋取向平行时，发生三γ光子湮没辐射，三 γ光子辐射的几率也很小。正电子湮没过程中的主要事件是双γ光子辐射。绝大部分工作均采用双γ辐射的正电子湮没。

湮没谱的表征

正电子进入介质后，通过与电子、离子的非弹性散射等过程，很快热化而失去其几乎全部动能，并与介质中的电子湮没，辐射出 γ 光子，该 γ光子带出的信息基本上决定于湮没前电子的状态。正电子湮没各种测量仪器所进行的测量均是探测γ 光子，γ光子信号所累计的谱线与试样中的电子状态和组织结构相关。因此，了解和熟悉正电子湮没谱线的各种特征、各种参数是对材料进行研究的基础。

正电子湮没谱线的主要表现特征有3个：①正电子湮没寿命；②正电子湮没多普勒能谱展宽；③双 γ湮没辐射角分布。

这3个特征从不同的角度反映了正电子在试样中的同一湮没事件，也就是说正电子湮没技术对同一试样既可采用寿命谱研究，也可用能谱展宽和角分布研究，其结果是一致的。正电子湮没技术之所以倍受人们注意的原因之一是它可以对同一对象进行多方位的分析，而不像有些技术那样仅能提供一到两个参数。

正电子湮没谱线的主要表现特征有3个：①正电子湮没寿命；②正电子湮没多普勒能谱展宽；③双 γ湮没辐射角分布。

正电子湮没寿命

正电子湮没寿命就是正电子从产生至进入介质与其中的电子湮没“死亡”的平均生存时间。由于正电子只有在没有电子的地方才是稳定的，只要不遇到电子它就可以一直生存下去，一旦遇到电子便“死亡”。正电子湮没寿命τ决定于正电子湮没速率λ，两者互为倒数关系τ =1/λ。在非均匀电子系统中，湮没速率为：

式中 r0是经典电子半径；|ψ|2是正电子密度；n（r）是正电子湮没位置的电子密度；c是光速。

上式可简写为λ =1/τ =πγ02cn。显而易见，电子密度是决定正电子湮没寿命长短的关键因素。正电子湮没寿命与电子密度成反比。

正电子湮没多普勒展宽能谱

正电子与电子湮没辐射时，正电子和电子的静止质量能和动能（几个eV）全部转变成电磁辐射能———两个γ光子。在正电子-电子对质心坐标系观察，这两个γ光子能量各为0.511MeV，方向相反且成精确的180°，但是在实验室坐标系观察，这两个γ光子能量就不再是0.511MeV，发射方向也不再共线。

正电子湮没辐射角分布

在正电子湮没辐射出的两个γ光子方向不共线，会形成一个夹角θ，其大小与正电子的动能有关。测量正电子湮没多普勒展宽能谱和角分布可以得到电子动量分布方面的信息。

应用示范

ShekC.H.等用正电子湮没技术对纳米 SnO2的界面缺陷进行了研究。图3-61给出纳米SnO2的正电子寿命 τ1（短寿命）、τ2（中等寿命）和两者含量之比I1/I2以及平均寿命珔τ 随热处理温度的变化。由图可以看出，纳米 SnO2各寿命值及含量的变化分为两个阶段。在晶粒慢速生长阶段（500℃以下），随着温度上升，τ1、τ2都略有增大，I1/I2基本不变。在这一阶段，晶粒尺寸远小于正电子平均自由扩散长度，因此，入射到SnO2的正电子几乎全部被界面缺陷湮没，造成界面上单空位尺寸的自由体积缺陷（对应短寿命τ1）和微空洞缺陷（对应中等寿命τ2）都稍有增加。第二阶段，在500℃以上，τ1及 τ2都迅速下降，I1/I2显著增大（从0.5增大到4）。这些变化的原因是：晶粒长大使得界面原子重排，导致界面上空位大小缺陷的自由体积明显减少，数量明显增多；微空洞的尺寸和数量也发生类似的变化，不过变化较为缓慢，从而使I1/I2明显增加，珔τ减小。温度升高后，SnO2的粒径逐渐接近甚至超过正电子平均自由扩散长度，有相当一部分正电子在晶粒内湮没，此时界面缺陷中的捕获态湮没和晶粒内部的自由湮没都会发生，τ1为两者的综合反映，致使不迅速减小，大晶粒的数目增多，I1也就增大。同时，由于晶粒长大，晶界迁移，表面、界面面积减小，微空洞的相对数目减小，其尺寸也变小，这些都造成了τ2、I2及珔τ的下降，从而I1/I2增大。

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