本書主要介紹最基本的正電子和正電子素與原子、分子相互作用過程，正電子和單個原子或者分子的碰撞總截面、各個偏截面，以及共振散射和共振湮沒。本書重點介紹正電子散射的基礎(chǔ)研究，更多地強調(diào)實驗技術(shù)發(fā)展，近十幾年取得的成果；另外也專題介紹正電子在天體、玻色-愛因斯坦凝聚、反物質(zhì)和量子糾纏研究等重要領(lǐng)域的應(yīng)用進展。
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正電子是電子的反粒子，是人類最早認(rèn)識的反物質(zhì)。正電子在科學(xué)和技術(shù)上的重要應(yīng)用取決于對正電子與物質(zhì)基本相互作用的定量了解，而最基本的正電子與原子、分子相互作用過程是了解這些知識的基礎(chǔ)。本書主要敘述正電子、正電子素與氣體分子、原子的散射，以及電子的類似散射。散射研究在物理學(xué)中是非常重要的，如果沒有對散射以及透射、折射等的研究，人類大約還處在一個朦朧的時期，不知道太陽光是由不同顏色組成的，不知道天為什么是藍的。即使知道了物質(zhì)中有電子和質(zhì)子，還以為物質(zhì)就如一塊棗餅，玉米糊（電子群）中夾著幾個棗核（質(zhì)子）。人們對散射的研究是很廣泛的，重要的有光、電子、質(zhì)子、中子的散射等。正電子、正電子素的散射屬于比較邊緣的科學(xué)，了解的人更少些，所以我們很有必要介紹一下。
正電子和正電子素與氣體中個別原子、分子的相互作用，正電子和單個原子、分子的碰撞總截面、各個偏截面，正電子和原子、分子的湮沒、共振湮沒，這些都是國內(nèi)30多年來正電子湮沒研究中極少涉及的。國內(nèi)的正電子研究主要涉及正電子和固體（含有很多原子或者分子）的相互作用，本書中也對兩種不同的研究作了比較。本書還涉及國內(nèi)沒有的正電子素束研究。
正電子和原子、分子系統(tǒng)發(fā)生碰撞時的實驗和理論研究其實已經(jīng)進行了許多年，一些實驗早在半個多世紀(jì)以前就已經(jīng)進行，只是國內(nèi)除了少量理論研究外沒有太多的關(guān)注。本書除了要介紹歷史上的研究，更要注重現(xiàn)代的研究，但是更偏重于實驗研究。在過去的十幾年內(nèi)，國外正電子物理的發(fā)展是相當(dāng)快的，但是國內(nèi)還缺少相關(guān)綜合性的評論，因此我們相信本書對該內(nèi)容的介紹有重要意義，希望本書能對促進國內(nèi)相關(guān)研究的發(fā)展起到拋磚引玉的作用。
本書共10章，第1、2章講述正電子散射物理基礎(chǔ)和實驗方法；第3～5章涉及正電子散射、正電子湮沒及共振散射等正電子與原子、分子相互作用的各種行為；第6章專門講述正電子素散射，包括正電子素的基本性質(zhì)、束流的產(chǎn)生及各種散射截面的測量；第7～10章作為專題討論正電子在反物質(zhì)研究、天體、玻色一愛因斯坦凝聚及量子糾纏中的應(yīng)用及展望。參加編寫的還有清華大學(xué)物理系王合英副教授以及武漢大學(xué)的一些博士研究生和碩士研究生。
吳奕初，武漢大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。1964年生于福建上杭，1983～1991年就讀于北京科技大學(xué)（原北京鋼鐵學(xué)院）材料物理系金屬物理專業(yè)，獲學(xué)士、碩士和博士學(xué)位，1991～1993年南京大學(xué)物理系博士后，1993～2002年中山大學(xué)物理系副教授，2003年至今武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授、教授。1995年1～3月在日本理化學(xué)研究所訪問研究，2000年11月一2002年8月美國密蘇里大學(xué)Research Associate，2008年9月一2009年8月英國巴斯大學(xué)訪問教授。長期從事正電子物理與材料科學(xué)領(lǐng)域研究，主持國家自然科學(xué)基金、留學(xué)回國人員基金等10余項。在PRL，PRB等重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文120余篇，合作出版《正電子應(yīng)用譜學(xué)》專著1本。
蔣中英，教授，新疆大學(xué)、伊犁師范學(xué)院碩士生導(dǎo)師�，F(xiàn)工作單位伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院。1986年畢業(yè)于新疆大學(xué)物理系物理學(xué)專業(yè)，2005年6月獲得南京大學(xué)物理系粒子物理與原子核物理專業(yè)博士學(xué)位。2005年9月一2007年10月在南京大學(xué)化學(xué)博士后工作站做博士后。2007年10月一2012年9月在南京大學(xué)微結(jié)構(gòu)國家實驗室馬余強教授課題組做二站博士后。主持國家自然科學(xué)基金項目和省部級等項目4項。在APL、Lang7nuir等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文10余篇。目前研究方向為基于PET技術(shù)，設(shè)計和實現(xiàn)正電子同位素納米顆粒示蹤技術(shù)和原位治療。
郁偉中，清華大學(xué)物理系教授。1973年和1978年清華大學(xué)研究生班研究生，獲碩士學(xué)位。1979年起從事正電子湮沒工作，翻譯Positronin Solids（《正電子湮沒技術(shù)>，科學(xué)出版社，1983），編寫《正電子物理及其應(yīng)用》（科學(xué)出版社，2003）。
目錄
前言
第1章 正電子散射物理基礎(chǔ) 1
1.1 引言 1
1.2 國內(nèi)外正電子研究歷史的簡單回顧 2
1.3 電子散射和電子動量譜研究 5
1.4 正電子與正電子湮沒 6
1.4.1 正電子 6
1.4.2 正電子素 8
1.4.3 包含正電子的其他束縛態(tài) 11
參考文獻 12
第2章 實驗技術(shù)和設(shè)備 15
2.1 引言 15
2.2 基本的實驗技術(shù) 15
2.3 慢正電子束技術(shù) 18
2.3.1 靜電束 18
2.3.2 磁場約束正電子束 21
2.3.3 基于裝置的正電子束 22
2.4 截面測量中的設(shè)備 22
2.4.1 總截面測量的設(shè)備 23
2.4.2 彈性散射偏截面測量的設(shè)備 26
2.4.3 正電子素形成偏截面測量的設(shè)備 27
2.4.4 激發(fā)偏截面測量的設(shè)備 27
2.4.5 離化偏截面測量的設(shè)備 28
2.4.6 緩沖氣體阱基慢正電子束 (阱基束) 29
2.4.7 多室阱基束 31
參考文獻 32
第3章 正電子散射總截面的測量 35
3.1 神奇的散射現(xiàn)象 35
3.1.1 光散射技術(shù)和研究的發(fā)展歷史 35
3.1.2 電子束散射的研究 37
3.1.3 其他粒子和伽馬射線散射的研究 37
3.1.4 正電子和正電子束散射的研究 38
3.2 散射總截面的測量 38
3.2.1 散射總截面的大致測量原則 38
3.2.2 總截面中的理論計算 75
3.2.3 國內(nèi)對正電子散射的理論研究 76
3.2.4 散射總截面的小結(jié) 77
3.3 散射偏截面的計算和測量 78
3.3.1 彈性散射的偏截面 79
3.3.2 正電子湮沒偏截面 85
3.3.3 正電子素形成的偏截面 85
3.3.4 激發(fā)與離化 92
3.3.5 散射偏截面的簡單小結(jié) 96
參考文獻 98
第4章 氣體中的正電子湮沒 108
4.1 引言 108
4.2 在高密度氣體中的實驗 109
4.3 阱基正電子束 118
4.4 小分子中的正電子湮沒 124
4.4.1 研究分子共振湮沒的物理意義 124
4.4.2 有效電子數(shù)和實驗測量 125
4.4.3 低密度氣體平均湮沒率*和氣體密度的關(guān)系 131
4.4.4 有效電子數(shù)的理論研究 131
4.5 大分子的振動Feshbach共振(VFR)湮沒 137
4.5.1 什么是大分子的振動Feshbach共振(VFR) 137
4.5.2 大分子的振動Feshbach共振(VFR)湮沒 138
參考文獻 173
第5章 高分辨測量總截面和共振散射 179
5.1 引言 179
5.2 共振散射理論基礎(chǔ) 180
5.3 實驗設(shè)備介紹 182
5.4 實驗過程和小角散射的甄別 183
5.5 對簡單氣體H2，N2，CO，Ar絕對高總截面的實驗測量 190
5.5.1 對H2的高總截面的理論計算和測量 190
5.5.2 對惰性氣體原子的散射高總截面測量 192
5.5.3 Wigner尖點問題 197
5.5.4 對復(fù)雜氣體原子的散射 (高) 總截面測量 206
5.6 總結(jié)及展望 208
參考文獻 209
第6章 正電子素的湮沒和散射 212
6.1 正電子素原子的基本研究 212
6.1.1 正電子素湮沒與壽命 212
6.1.2 研究正電子素形成的設(shè)備 213
6.1.3 基態(tài)正電子素的超精細結(jié)構(gòu) (hfs) 219
6.2 正電子素束散射 224
6.2.1 研究正電子素束散射的意義 224
6.2.2 用正電子-氣體碰撞產(chǎn)生正電子素束的方法 224
6.2.3 產(chǎn)生正電子素束的設(shè)備 228
6.2.4 用正電子素束的散射實驗 233
6.2.5 正電子素束和水分子的散射 238
6.2.6 正電子素束和CO2分子的散射 239
6.2.7 正電子素束和其他分子的散射 240
6.3 正電子素的散射理論 240
6.4 總結(jié)與展望 245
參考文獻 246
第7章 基于正電子和反氫的反物質(zhì)研究進展 251
7.1 引言 251
7.2 反物質(zhì)研究發(fā)展簡史 252
7.2.1 正電子的研究 252
7.2.2 反物質(zhì) (反氫原子) 的研究 254
7.3 正電子捕獲、積累及高強脈沖束的形成技術(shù) 257
7.3.1 正電子注入裝置 257
7.3.2 正電子的熱化、冷卻和捕獲 258
7.3.3 正電子的壓縮 259
7.3.4 正電子的約束和積累 260
7.3.5 高強正電子脈沖束形成技術(shù) 262
7.4 正電子素分子的觀察 264
7.4.1 單個超短脈沖正電子壽命譜技術(shù) 264
7.4.2 高密度正電子素氣體實驗 266
7.4.3 正電子素分子的實驗觀察 269
7.5 反氫原子的合成 272
7.5.1 為什么研究反氫？ 272
7.5.2 反質(zhì)子的冷卻、捕獲 274
7.5.3 混合阱中反氫的合成 275
7.6 CERN反物質(zhì)研究的現(xiàn)狀 278
7.6.1 ALPHA 278
7.6.2 ATRAP 279
7.6.3 AEGIS 280
7.6.4 ASACUSA 281
7.6.5 ACE 282
7.7 展望 283
7.7.1 CPT標(biāo)準(zhǔn)模型驗證 283
7.7.2 WEP弱等價原理 284
7.7.3 “反物質(zhì)”武器和宇航深空探測新能源研究 285
參考文獻 286
第8章 正電子在天體物理學(xué)中的應(yīng)用伽馬譜 289
8.1 天體物理 289
8.2 天文學(xué)和天體物理基礎(chǔ)知識介紹 290
8.2.1 古代對宇宙、地球的認(rèn)識 290
8.2.2 地球和太陽的基本數(shù)據(jù) 292
8.2.3 遠處恒星的測距 294
8.2.4 星系的性質(zhì) 297
8.2.5 宇宙大爆炸學(xué)說 299
8.2.6 宇宙大爆炸后物質(zhì)的演化 299
8.2.7 黑洞 300
8.2.8 探尋反物質(zhì)天體 301
8.2.9 阿爾法磁譜儀計劃 302
8.3 天體中的正電子 303
8.3.1 宇宙正電子的測量 304
8.3.2 正電子測量譜的特點 312
8.3.3 什么是正電子過量 314
8.3.4 天體中正電子的來源 316
8.3.5 正電子在星際介質(zhì)中的傳播 320
8.3.6 多環(huán)芳香碳氫化合物 322
8.4 天體中正電子小結(jié) 333
參考文獻 334
第9章 在正電子領(lǐng)域中實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚的探索 340
9.1 玻色-愛因斯坦凝聚簡介 340
9.2 玻色量子統(tǒng)計理論基礎(chǔ) 342
9.3 實現(xiàn)BEC所用的技術(shù) 345
9.4 BEC的可能應(yīng)用 346
9.5 BEC中Feshbach共振效應(yīng) 347
9.6 正電子和Ps-BEC 349
9.6.1 正電子、正電子素和BEC 349
9.6.2 Ps-BEC研究的里程碑 351
9.6.3 Ps-BEC研究進展 352
9.6.4 Ps-BEC應(yīng)用探索 354
參考文獻 357
第10章 正電子在量子糾纏中的可能應(yīng)用 360
10.1 引言 360
10.2 清華大學(xué)近代物理實驗給我們的啟迪 360
10.3 量子糾纏 362
10.3.1 一堆問題 362
10.3.2 量子糾纏的定義 362
10.3.3 量子糾纏是超光速嗎？ 363
10.3.4 量子糾纏是真正的超遠距離作用嗎？ 363
10.3.5 誰第一個提出量子糾纏的概念？ 364
10.3.6 第一篇糾纏論文在哪里？ 364
10.4 EPR驗證 368
10.4.1 EPR佯謬 368
10.4.2 貝爾不等式和CHSH-Bell不等式 373
10.4.3 阿斯派克特的最后實驗判決 375
10.4.4 量子糾纏的幽靈成像 375
10.4.5 三粒子糾纏和GHZ定理 376
10.5 正電子在量子糾纏中的可能應(yīng)用 378
參考文獻 379
附錄 381
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