Pāru veidošanās (elektrona–pozitrona rašanās): definīcija un principi
Fizikā pāru veidošanās (elektrona–pozitrona rašanās) ir process, kurā augstas enerģijas fotons pārvēršas par elektronu (negatīvi lādētu daļiņu) un pozitronu (pozitīvi lādētu daļiņu). Lai tiktu izpildīti saglabāšanas likumi — galvenokārt impulsa un enerģijas saglabāšana — fotonam parasti jāmijiedarbojas ar citu daļiņu lauku, visbiežāk ar atoma kodolu, bet iespējama arī mijiedarbība ar atoma elektronu (tā sauktā triplet-produkcija). Fotons pazūd, un tā enerģija tiek izmantota jaunu daļiņu radīšanai; kodols vai atoms absorbē mazliet impulsa, lai nodrošinātu kopējo impulsu saglabāšanos.
Enerģijas prasības un mehānisms
Minimālā enerģija, kas nepieciešama, lai fotons spētu radīt elektronu un pozitronu, ir vienāda ar abu daļiņu kopējo mirušās masas ekvivalentu, tas ir 2·m_e c^2 ≈ 1,022 MeV. Tas nozīmē, ka pāru veidošanās nevar notikt ar fotonu enerģijām zem šī sliekšņa. Ja fotona enerģija pārsniedz šo slieksni, atlikušo enerģiju parasti sadala radītā elektrona un pozitrona kinētiskajās enerģijās, kā arī mazākā daļā tiek nodota atoma kodolam vai atoma elektroniem kā atpakaļizdales enerģija.
Pāru rašanās var notikt divos galvenajos veidos:
- fotona mijiedarbība ar atoma kodolu (biežāk) — kodols uzņem nepieciešamo impulsa daļu,
- fotona mijiedarbība ar atoma elektronu (triplet-produkcija) — rodas papildu brīvā elektrona loma, taču šī procesa šķērsgriezums ir mazāks.
Varbūtība, materiāla ietekme un praktiskais nozīmīgums
Pāru rašanās varbūtība (šķērsgriezums) pieaug ar ienākošā fotona enerģiju un ir atkarīga no materiāla kodolatoma numura (Z); aptuveni šķērsgriezums izmērāms ar Z^2 atkarību (atsevišķos enerģiju reģionos). Tas nozīmē, ka smagāki elementi veicina lielāku pāru rašanās varbūtību nekā viegli elementi.
Praksē pāru veidošanās kļūst nozīmīga, kad fotonu enerģijas ir virs dažiem MeV; atkarībā no materiāla un enerģijas spektra tas var būt jau nedaudz virs sliekšņa vai svarīgāks pie desmitiem MeV. Piemēram, medicīniskajā staru terapijā ar augstas enerģijas fotonu staru papildu pāru veidošanās var ietekmēt dozēšanu un radušos seku aprēķinus. Pāru veidošanās ir viena no galvenajām fotonu mijiedarbības procesiem kopā ar fotoelektrisko efektu un Komptonu (bremzēšanās un izkliede).
Sekas pēc rašanās
Radītais pozitrons parasti zaudē savu kinētisko enerģiju, izkliedējoties un jonizējot apkārtējo materiālu, un var īslaicīgi veidot pozitronija stāvokli kopā ar elektronu. Gala posmā pozitrons anihilējas ar elektronu, parasti radot divus gama kvantus ar enerģiju 511 keV katrs, kas izlido aptuveni pretējās virzienos (lai saglabātu impulsu). Šie anihilācijas fotoni ir bieži novērojama pazīme, ko izmanto, piemēram, pozitronu emisijas tomogrāfijā (PET) medicīnā.
Īsumā, pāru veidošanās ir nozīmīgs augstas enerģijas fotonu materiālu mijiedarbības kanāls, kam raksturīgs enerģijas slieksnis ≈1,022 MeV, atkarība no materiāla Z un skaidras sekas — pozitrona reģistrācija un anihilācijas fotonu rašanās.
Jautājumi un atbildes
J: Kas fizikā ir pāru veidošana?
A: Pāru veidošanās ir fotona un atoma kodola mijiedarbība, kuras rezultātā rodas pozitīvi un negatīvi lādētu elektronu pāris.
J: Kur atomos rodas pāri?
A: Pāru veidošanās notiek atoma kodolā, nevis ar elektronu, kā tas notiek zemāka līmeņa rentgena staru mijiedarbībā.
J: Kas notiek ar fotonu pāru veidošanās procesā?
A: Pāru veidošanās procesā fotons nodod savu enerģiju kodolam un izveido elektronu pāri.
J: Kā tiek uzlādēti pāru veidošanās procesā radītie elektroni?
A: Pāru veidošanās procesā radušies elektroni sastāv no viena pozitīvi lādēta elektrona (pozitrona) un viena negatīvi lādēta elektrona.
J: Ko ietekmē pāra rašanās varbūtība?
A: Pāru rašanās varbūtība ir proporcionāla ienākošā fotona enerģijai, un to ietekmē materiāla atomu skaits.
J: Kādos enerģijas līmeņos parasti notiek pāru veidošanās?
A: Pāru veidošanās parasti notiek pie enerģijas līmeņiem virs 25 MeV.
J: Kad pāru veidošanās var rasties staru terapijā?
A: Pāru veidošanās var rasties staru terapijas procedūrās, kurās izmanto augstas enerģijas fotonu starus.
