Tvorba parov (elektron–pozitron): nastanek pri interakciji fotonov

V fiziki je tvorba parov proces, v katerem visokenergijski foton v bližini močnega električnega polja (običajno v polju atomskim jedrom) izgubi dovolj energije, da nastaneta par delcev: elektron in pozitron. Pri tem foton ne interagira neposredno samo z vezanim elektronom (kot pri Comptonovi razpršitvi ali pri nižjih energijah z rentgenskimi žarki), ampak mora obstajati tretji udeleženec (jedro ali prosti elektron), ki absorbira gibalni moment in omogoči ohranitev energije in impulza.

Mehanizem in pogoji

Minimalna energija fotona, potrebna za nastanek para v polju jedra, je enaka dvema počitniškima energijama para elektrona in pozitrona, torej E_min = 2 m_e c^2 ≈ 1.022 MeV. Če se tvorba para zgodi v prisotnosti prostega elektrona (t. i. tripletna produkcija), je prag višji (≈ 4 m_e c^2 ≈ 2.044 MeV), ker je treba dodatno upoštevati gibalno stanje in količino energije, ki jo nosi izvorni elektron.

Po nastanku para ima vsaka izmed novih delcev (elektron in pozitron) kinetsko energijo, ki je enaka presežku energijskega fotona nad pragom (E_γ − 1.022 MeV), ta energija se razdeli med njima. Pozitron nato izgublja energijo skozi ionizacijo in vzbujanje atomov v snovi (se ionizira,) in ko se dovolj ohladi, se poveže s prostim elektronom ter anihilira. Tipična anihilacija pri počivajočem pozitronu proizvaja dva fotona z energijo po približno 511 keV, izstopata v nasprotnih smereh zaradi ohranitve impulza; pri anihilaciji v gibanju so ognjeni koti in energijski razporedi drugačni.

Pomen, odvisnost in primeri

Verjetnost (presek) tvorbe parov raste z energijo vhodnih fotonov in je močno odvisna od atomske številke tarče: v praksi se približno sorazmerno povečuje z Z^2 za polje jedra, zato so materiali z velikim atomskim številom bolj učinkoviti pri induciranju produkcije parov. V spektru procesov interakcije fotonov z materijo prevladuje:

• fotoelektrični učinek pri nizkih energijah (močna odvisnost od Z in energije),
• Comptonova razpršitev pri srednjih energijah,
• produkcija parov pri visokih energijah (nad pragom 1.022 MeV), ki z rastjo energije postane vedno pomembnejša.

V medicinski radioterapiji in pri uporabi linearnih pospeševalnikov postane tvorba parov pomembna pri energijah fotonov običajno nad nekaj megaelektronvoltov; v praksi se njen relativni delež znatno poveča pri energijah tipično nad približno 10–20 MeV, zlasti v visokozahtevnih materialih oziroma ščitih (npr. svinec). V astrofiziki in eksperimentalni fiziki visoke energije je produkcija parov ključna za absorpcijo visokenergijskih gama žarkov in za delovanje detektorjev (elektromagnetni kalorimetri).

Nekoliko je proces povezan s fotoelektričnim učinkom le v smislu, da gre za drugo obliko interakcije fotona z materijo; med obema procesoma pa veljajo različni pragovi in različna odvisnost od Z in energije.

Hitri povzetek

• Prag za tvorbo para v polju jedra: ≈ 1.022 MeV.
• Tripletna produkcija (v polju prostega elektrona): prag ≈ 2.044 MeV.
• Verjetnost raste z energijo fotona in z atomsko številko tarče (približno z Z^2).
• Pozitron se izgubi energijo z ionizacijo (se ionizira,) in na koncu anihilira z elektronom, največkrat v dveh fotonih po 511 keV, izstreljenih v nasprotnih smereh.
• V radioterapiji in pri visokih energijah fotonov je tvorba parov pomemben mehanizem slabljenja snovi.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je v fiziki ustvarjanje parov?

V: Kje v atomu pride do nastanka para?

V: Kaj se zgodi s fotonom pri proizvodnji para?

V: Kako se elektroni, ki nastanejo pri parni produkciji, napolnijo?

V: Kaj vpliva na verjetnost nastanka para?

V: Na katerih energijskih ravneh se običajno tvorijo pari?

V: Kdaj lahko pride do nastanka para pri radioterapiji?

Išči po črki