Създаване на електрон–позитронни двойки: явление във физиката

Разберете как високoенергийни фотони създават електрон–позитронни двойки, прагове над 25 MeV, влиянието на атомния номер и приложения в лъчетерапията.

Във физиката създаването на двойки се случва, когато фотонът взаимодейства с ядрото на атома, а не с електрона, както е при взаимодействието с рентгенови лъчи от по-ниско ниво. Фотонът отдава енергията си на ядрото и след това създава двойка положително и отрицателно заредени електрони. Положителният електрон (позитронът) се йонизира, докато се съедини със свободен електрон. Двете частици се разпръскват в противоположни посоки.

Условия и прагови енергии

За да настъпи преобразуване на фотон в електрон–позитронна двойка, е необходима минимална енергия равна на сумарните покойни енергии на двата частица: 2·m_e c^2 ≈ 1.022 MeV. Това е теоретичният праг при взаимодействие в поле, което може да поема импулса (обикновено ядрото на атома). В практиката съществуват два основни варианта:

• Преобразуване в полето на ядро (най-често): праг 1.022 MeV; ядрата поемат излишния импулс.
• Триплетно производство (в полето на свободен електрон): праг е по-висок — около 4·m_e c^2 (≈ 2.044 MeV) в лабораторната система — защото свободният електрон трябва да поеме допълнителна кинетична енергия.

Механизъм и зависимост от материалните свойства

Фотонът сам по себе си не може едновременно да преобразува енергията и да спази закономерностите на енергията и импулса без присъствието на трети обект (ядро или електрон), който да поеме част от импулса. При взаимодействие с ядро фотонът „изчезва“, а на негово място се появяват електрон и позитрон. Впоследствие позитронът се забавя чрез загуби на енергия в средата (например чрез йонизационни загуби), може да формира позитрониум (временна връзка електрон–позитрон) и в крайна сметка анхилира с електрон, отделяйки два (понякога три) фотона с характерна енергия 511 keV.

Вероятността (сечението) за производство на двойки зависи силно от енергията на падащия фотон и от атомния номер Z на средата. При умерено високи и много високи енергии сечението расте с увеличаване на Z (приблизително пропорционално на Z^2 в някакъв диапазон). На енергии под няколко MeV доминират други процеси (фотоелектричен ефект и Комптоново разсейване), а при по-високи енергии производството на двойки става водещ механизъм за поглъщане на гама-лъчи.

Приложения и практически последствия

• Медицинска физика и лъчетерапия: при високоенергийни фотонни снопове (линейни ускорители с енергии над няколко MeV) процесът на производство на двойки допринася за дозовото разпределение и за появата на вторични частици. В оригиналния текст е посочено, че лъчетерапевтични процедури могат да доведат до производство на двойки — това е вярно за по-високи енергии и тежки материали в полето на пациента или апаратурата.
• Ядрена и високоенергийна физика: създаване на двойки е важен инструмент при експерименти с гама-лъчи и при изучаване на взаимодействията на високоенергийни фотони с материята.
• Медицинска визуализация: анхилацията на позитрона дава 511 keV фотони, което е основата на позитронно-емисионната томография (PET).
• Астрофизика: при взаимодействия на високoенергийни гама-лъчи с полета и фотонни фонове могат да се формират електрон–позитронни каскади, важни за моделирането на емисии от активни галактични ядра и гамма-избухвания.

Отношение към други фотонни процеси

Производството на двойки е едно от трите основни типа взаимодействия на фотоните с материята: фотоелектричен ефект (доминация при ниски енергии и високи Z), Комптоново разсейване (среден енергиен диапазон) и производство на двойки (високи енергии). В описанието в началото фразата, че „То е донякъде свързано с фотоелектричния ефект“, може да се разчита така: и двете са форми на взаимодействие фотон–материя, но физически механизмите и енергийните диапазони, в които доминират, са различни.

Кратко обобщение: прагът за производство на електрон–позитронна двойка е 1.022 MeV при взаимодействие в полето на ядро; процесът изисква присъствието на трети обект за запазване на импулса; вероятността на процеса расте с енергията и с атомния номер на средата и има важни приложения в медицина, ядрената и астрофизичната физика.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява производството на двойки във физиката?

В: Къде в атома се получава образуването на двойки?

В: Какво се случва с фотона при производството на двойки?

В: Как се зареждат електроните, получени при производството на двойки?

В: От какво зависи вероятността за образуване на двойка?

Въпрос: При кои енергийни нива обикновено се получава образуване на двойки?

Въпрос: Кога може да се получи образуване на двойки при лъчетерапия?

Търсене по буква