正电子湮没技术[1]（Position Annihilation Technique，PAT），是一项较新的核物理技术，它利用正电子在凝聚物质中的湮没辐射带出物质内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态等信息，从而提供一种非破坏性的研究手段而备受人们青睐。现在正电子湮没技术已经进入固体物理、半导体物理、金属物理、原子物理、表面物理、超导物理、生物学、化学和医学诸多领域。特别是材料科学研究中，正电子对微观缺陷研究和相变研究正发挥着日益重大的作用。
正电子的性质
1928年Dirac在求解相对论性的电子运动的Dirac方程时预言正电子的存在，1932年Andersan在威尔逊云室研究宇宙射线时发现了正电子。正电子是人类发现的第一个反粒子。
正电子可以由 b+ 衰变产生，也可由核反应和电子直线加速器产生，还可以通过 g 射线与物质的相互作用产生。当 g 射线的能量大于电子静止能量的两倍时（» 1.02 Mev），它与物质的相互作用将产生正负电子对效应。即 g 光子经过原子核附近时，其能量被吸收而转变为正负电子对如方程（1）所示。
g ® e + e+ （1）
正电子是轻子，它只参与电磁相互作用。除开所带电荷的符号与电子相反之外，正电子的其它性质（包括质量、电荷的数量、自旋和磁矩）均与电子相同。
正电子湮没
当 g 射线能量大于两倍电子的静止能量经过原子核附近时，其能量被吸收而转换为正负电子对。反过来，正负电子相碰时，两粒子自身被湮灭而发出 g 光子，如方程（2）所示：
e+ + e– ® 2 g （2）
此过程是一典型的爱因斯坦质能转换的量子电动力学过程。
高能正电子进入物质后，通过与电子、原子或离子的非弹性散射损失能量，其动能迅速降到热能，这一过程称为热化，热化过程所需的时间很短（只需几个Ps，1Ps = 10–12 S）。热化后的正电子在物质中扩散，在扩散过程中碰到电子发生湮没，产生 g 光子。扩散过程的持续时间因材料的不同而异，主要由材料中的电子密度决定。正电子在材料中居留时间即正电子湮没寿命。正电子湮没寿命与物质中的电子密度密切相关，正电子在材料中的射程主要决定于热化阶段和材料的密度。在一般材料中，正电子射程约在20~300 mm间。在正电子实验中为了保证正电子在样品中湮没而不穿出，要求样品厚度约为1 mm。
在不同的材料中，正电子的湮没机制及湮没寿命各不相同，它能反映出材料的微观结构和电子密度等信息。
正电子湮没过程是一个量子电动力学的过程，它的理论分析需用量子电动力学的理论。根据量子电动力学理论及场论的分析可知，正负电子湮没时可以发射单光子、双光子和三光子，但发射双光子的概率最大。
正电子素的形成与湮没
在分子固体、液体和气体中，正电子的湮没行为最显著的特征是正电子与电子可以结合成一种最轻的亚稳态原子——正电子素或电子偶素（positronium），它于1951年被Deutsch发现。正电子素呈电中性，正负电子围绕着它们的质量中心旋转。正电素的结构类似氢原子。根据量子力学的计算可得到正电子素奇异原子的能级，其电离能为 – 6.8 eV。
根据正负电子自旋的藕合方式，正电子素可以分为自旋单态（para- positronium）和自旋三重态（orth-positronium），分别简记为P-Ps和o-Ps。
正电子素的形成机理较复杂，对其描述的理论模型主要包括能隙模型（Ore-gap）和径迹（Spur），主要用于o-Ps在低温下高聚物中的湮没。自由体积模型（Free volume）适用于高聚物，气泡模型（Bubble）适用于液体。
P-Ps和o-Ps湮没的本征寿命相差甚远，在真空条件下，P-Ps和o-Ps的自湮没寿命分别为125 Ps和142 ns。
正电子素原子不仅在分子固体、液体及气体的研究中得到广泛应用，而且在弱相互作用研究中，检验量子电动力学理论，在研究基本粒子如轴子，天体物理及生物大分子的研究中均有极其重要的应用。
缺陷中的正电子湮没
正电子在完整晶格中的湮没称为自由态的湮没。一旦固体中出现缺陷，如空位、位错和微空洞，这些缺陷可以是材料在制备工艺过程产生的，也可以是辐照效应、温度效应和压力效应等因素产生，正电子容易被这些缺陷捕获后再湮没，这种湮没被称为正电子的捕获湮没，它与自由态正电子的湮没差异甚远。
描述正电子被缺陷的捕获湮没有二态捕获模型和三态捕获模型。通过求解的两态捕获模型中的自由态正电子数和缺陷态中的正电子数随时间变化的速率方程即可得到在无逃逸近似下正电子的湮没寿命。
