1正電子、中子、反質子和反中子
原子世界物質結構的基本組元是原子，原子世界的基本特征尺度為十分之一納米，原子世界的能量標度是電子伏特。
最初認識的基本粒子
再把特征尺度縮小十萬倍，小到百萬分之一納米，就進入了粒子世界。20世紀初在研究原子結構規律時，就已經認識了最初的幾個基本粒子。質子、電子、光子是最早被認識到的幾個基本粒子，這三種粒子都是穩定的粒子，質子帶單位正電荷，電子帶單位負電荷，光子不帶電，質子和電子有放出和吸收光子的能力，它們通過電磁相互作用互相聯係起來。當時實驗上還顯示不出它們的體積大小，看不到它們有內部結構，可以認為是“點”粒子。人們認為這些粒子是物質結構的最小的單元，把它們統稱為基本粒子。
20世紀初，物理學中已清楚地認識了的物質的基本相互作用有兩種：引力相互作用和電磁相互作用。它們之間有共同點又有不同點，它們都是與距離平方成反比的長程力，引力相互作用總是吸引，電磁相互作用則遵循“同性相斥、異性相吸”。質子和電子之間既有電磁相互作用，又有引力相互作用。英國天文學家和理論物理學家愛丁頓（ArthurStanleyEddington）曾認為基本粒子就是質子、電子、光子三種，而宇宙就是由總數約1079個質子和電子構成，是一個有限無邊的正在膨脹的宇宙。從這種理論出發，也就提出了一係列需要研究解答的基本問題：為什麼電荷有最小單位？為什麼電荷最小單位所決定的精細結構常數值約為1/137.036？為什麼正電荷的最小單位比負電荷的最小單位質量重1836.15倍？為什麼宏觀上正負電是對稱的，但正負電荷的最小單元又非常不對稱？然而物理學實驗和理論的發展很快地打破了這個格局，陸續發現了幾個新的基本粒子，展示了粒子世界的豐富多采的新局麵。
狄拉克的理論和正電子的發現
1928年英國物理學家狄拉克（PaulAdrienMauriceDirac）提出了一個電子運動的相對論性量子力學方程，即狄拉克方程。利用這個方程研究氫原子能級分布時，考慮有自旋角動量的電子作高速運動時的相對論性效應，給出了氫原子能級的精細結構，與實驗符合得很好。從這個方程還可自動導出電子的自旋量子數應為1/2，以及電子自旋磁矩與自旋角動量之比的朗德g因子為軌道角動量情形時朗德g因子的2倍。電子的這些性質都是過去從分析實驗結果中總結出來的，並沒有理論的來源和解釋。狄拉克方程卻自動地導出這些重要基本性質，是理論上的重大進展。利用這個方程還可以討論高速運動電子的許多性質，這些結果都與實驗符合得很好。這些成就促使人們相信狄拉克方程是一個正確地描寫電子運動的相對論性量子力學方程。
既然實驗已充分驗證了狄拉克方程的正確，人們自然期望利用狄拉克方程預言新的物理現象。按照狄拉克方程給出的結果，電子除了有能量取正值的狀態外，還有能量取負值的狀態，並且所有正能狀態和負能狀態的分布對能量為零的點是完全對稱的。自由電子最低的正能態是一個靜止電子的狀態，其能量值是一個電子的靜止能量，其他的正能態的能量比一個電子的靜止能量要高，並且可以連續地增加到無窮。與此同時，自由電子最高的負能態的能量值是一個電子靜止能量的負值，其他的負能態的能量比這個能量要低，並且可以連續地降低到負無窮。這個結果表明：如果有一個電子處於某個正能狀態，則任意小的外來擾動都有可能促使它跳到某個負能狀態而釋放出能量。同時由於負能狀態的分布包含延伸到負無窮的連續譜，這個釋放能量的躍遷過程可以一直持續不斷地繼續下去，這樣任何一個電子都可以不斷地釋放能量，成為永動機，這在物理上顯然是完全不合理的。
針對這個矛盾，1930年狄拉克提出一個理論，被稱為空穴理論。這個理論認為由於電子是費米子，滿足泡利不相容原理，每一個狀態最多隻能容納一個電子，物理上的真空狀態實際上是所有負能態都已填滿電子，同時正能態中沒有電子的狀態。因為這時任何一個電子都不可能找到能量更低的還沒有填入電子的能量狀態，也就不可能跳到更低的能量狀態而釋放出能量，也就是說不能輸出任何信號，這正是真空所具有的物理性質。按照這個理論，如果把一個電子從某一個負能狀態激發到一個正能狀態上去，需要從外界輸入至少兩倍於電子靜止能量的能量。這表現為可以看到一個正能狀態的電子和一個負能狀態的空穴。這個正能狀態的電子帶電荷-e，所具有的能量相當於或大於一個電子的靜止能量。按照電荷守恒定律和能量守恒定律的要求，這個負能狀態的空穴應該表現為一個帶電荷為+e的粒子，這個粒子所具有的能量應當相當於或大於一個電子的靜止能量。這個粒子的運動行為是一個帶正電荷的“電子”，即正電子。狄拉克的理論預言了正電子的存在。