在上一期中，我們討論了保羅·狄拉克在1931年5月預言正電子存在的過程。這一預言為物理學領域帶來了新的視角，但實驗驗證卻遲遲未能實現。正電子的發現，似乎觸手可及，卻又難以捉摸。

正電子的發現與宇宙射線的研究密切相關。宇宙射線中99.999%是高能粒子，而非電磁波。這些粒子主要由質子、氦原子核、重元素原子核、β射線和中微子等組成，它們來自太陽、超新星、中子星和黑洞等天體。宇宙射線的高能量特性，使其成為當時缺乏高能加速器的物理學家們研究高能粒子的理想來源。

美國加州理工學院是宇宙射線研究的權威機構，由物理學家羅伯特·密立根領導的團隊在此領域取得了顯著成果。在密立根的學生中，包括了我國著名物理學家趙忠堯先生。密立根給趙忠堯的研究課題是測量γ射線在不同物質中的吸收系數，并檢驗克萊因-仁科方程的正確性。

趙忠堯在實驗中發現，當γ射線通過輕元素時，吸收系數與克萊因-仁科方程的預測相符。然而，在重元素中，吸收系數比預測值高出約40%，這一現象被稱為“反常吸收”。此外，他還觀察到輻射出來的能量異常增加。1930年，趙忠堯將這些發現發表在了《物理評論》上。

實際上，趙忠堯的發現可以用正負電子對的產生和湮滅來解釋。γ射線與原子核相互作用，產生正負電子對，導致γ射線能量減少，表現為物質吸收的能量增加。隨后，正負電子對迅速湮滅，產生額外的光子輻射，解釋了觀察到的額外輻射現象。如果趙忠堯能夠繼續他的研究，他可能在狄拉克預言之前就發現了正電子。但遺憾的是，由于1931年國內9·18事變，趙忠堯選擇回國，與諾貝爾物理學獎擦肩而過。

趙忠堯的同學，卡爾·安德森，在研究宇宙射線時，通過云室實驗觀察到了一種帶正電的新粒子。1932年9月，安德森發表論文，宣稱發現了“類電子粒子”。編輯建議將其命名為“正電子”，這一名稱便被廣泛接受。安德森因此獲得了1936年的諾貝爾物理學獎。

正電子的發現，不僅驗證了狄拉克的理論預言，也為基本粒子家族增添了新成員。

作者：媽咪說科普創作者

審核：羅會仟中國科學院物理研究所副研究員

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