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反氫

Wikipedia · 2025-12-06 维基百科 👁 1 阅读

和一個反質子組成]]
反氫（）是對應元素氫的反物質：每顆氫原子是由一顆質子及電子組成，而反氫則是由一顆反質子及正電子組成。其化學符號多以「H」表示，即「H」上加一橫條，讀作「H-bar」。科学家希望研究反氢，来阐明为什么在可观测宇宙中，物质比反物质多的问题，被称为重子不对称性问题。 反氢是在粒子加速器中人工产生的。 1999年，NASA 估计每克反氢的制造成本为62.5兆美元 (相当于今天的兆美元)，使得它成为制造成本最高的物质。 这是由于每个实验产生的反氢极低，并且使用粒子加速器的机会成本高。

歷史
1932年，此前一直研究宇宙射線的卡尔·戴维·安德森了發現帶正電荷的電子：正電子。

1955年，埃米利奥·塞格雷和欧文·张伯伦通過使用粒子加速器「」發現了反質子，即反氫的原子核。在此實驗中還發現了反中子。

1995年，歐洲核子研究組織（CERN）和德國的研究小組發現在反質子周圍與正電子反應，產生反氫圈，次年一月公佈結果。

根據粒子物理學的CPT定律，反氫的不少特性均與氫相同，包括質量、磁矩及在量子狀態中的過渡頻率（即把激光或微波光束射在反氫原子上，會發出與氫相同顏色的光，例如：1s-2s的過渡頻率同樣為243 nm 的反氢激光物理仪器（）小组首先捕获的， 然后测量了结构和其他重要特性。 ALPHA、 AEGIS和 GBAR 计划进一步冷却和研究反氢原子。

特征
粒子物理学的CPT定理预测反氢原子具有的特征和正常的氢具有的许多特征一样；即质量，磁矩和原子态跃迁频率相同（请参见“原子光谱”）。 举个例子，激发态的反氢原子会和激发态的普通氢原子发出一样颜色的光。 反氢原子应该会，其作用力应与普通氢原子所承受的力相同。

当反氢接触到正物质时，它们会迅速湮灭。 正电子会和电子反应并湮灭，放出伽马射线。而反质子，由反夸克组成，会和由夸克组成的质子或中子反应并湮灭， 生成高能的π介子，并衰变成缈子、中微子、正电子和 电子。 如果反氢原子存在于 真空的环境， 它们理论上可以永远存在。

作为一种反元素，反氢预计会有和氢一样的性质。 举个例子，反氢在标准情况下会是一种无色气体，会和反氧反应，生成反水 ，。

合成
第一个反氢于 1995 年由瓦尔特·厄莱尔特 的队伍在 CERN 用Charles Munger Jr、Stanley J Brodsky 和 Ivan Schmidt Andrade提出的方法首次合成。

在中，从一个粒子加速器 发射的反质子会射到氙 原子簇， 形成电子-正电子对。 反质子捕获一个正电子，形成反氢原子的概率为 ，因此该方法不适合用于实际生产（如所计算的）。 费米国立加速器实验室 测量了一些不同的横截面 ， 与量子电动力学的预测一致。 两者均导致高能或高温的反原子的反应，不适合进行详细研究。

随后，CERN建立了反质子减速器（AD），以支持朝着低能反氢的方向努力，以测试基本对称性。反质子减速器将提供给几个CERN组。CERN预计其设施将能够每分钟产生1000万个反质子。

反氫的同位素與其他反原子
人們亦可利用同樣方法製造反氘（D；2H）、反氚（T；3H），或甚至是反氦（He），只是其難度更高。在2011年4月29日出版的英國《自然》雜誌上刊登了成功合成反氦-4的消息，方法是將兩個接近光速的金原子核對撞，通過篩選共探測到18個反氦-4的信號。反氘、 反氦-3 () 和反氦-4 () 的原子核 ，以如此高的速度产生了它们的相应原子的合成，带来了几个技术障碍。

參看

  • 氫
  • 反氦
  • 反質子減速器

參考文獻
外部連結

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#反物質 #氢原子物理 #奇異原子

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