2.2. Аннигиляция электрон-позитронных пар:
Аннигиляция электрон-позитронной пары – это процесс, при котором электрон (e⁻) и позитрон (e⁺) (античастица электрона) взаимодействуют и аннигилируют, превращаясь в другие частицы. В наиболее распространенном случае, это приводит к образованию двух или более фотонов (γ).
Процесс аннигиляции:
Процесс аннигиляции обусловлен электромагнитным взаимодействием между электроном и позитроном. При сближении частиц их электрические поля взаимодействуют, и кинетическая энергия частиц преобразуется в энергию фотонов. Если электрон и позитрон находятся в состоянии покоя (или обладают очень малой кинетической энергией), аннигиляция обычно приводит к образованию двух фотонов с энергиями, равными энергии покоя электрона (или позитрона) mc², где m – масса электрона, а c – скорость света. Это необходимо для сохранения энергии и импульса.
Законы сохранения:
При аннигиляции строго выполняются законы сохранения:
* Закон сохранения энергии: Суммарная энергия электрона и позитрона до аннигиляции равна суммарной энергии образовавшихся частиц (фотонов).
* Закон сохранения импульса: Суммарный импульс электрона и позитрона до аннигиляции равен суммарному импульсу образовавшихся частиц (фотонов). Это объясняет, почему при аннигиляции электрона и позитрона в состоянии покоя образуются два фотона, движущиеся в противоположных направлениях.
* Закон сохранения заряда: Общий электрический заряд системы остается нулевым. Заряд электрона (-e) и позитрона (+e) компенсируют друг друга, и образующиеся фотоны не имеют заряда.
* Закон сохранения лептонного числа: Лептонное число электрона (+1) и позитрона (-1) также компенсируют друг друга, так что в результате аннигиляции лептонное число остается нулевым.
Образование фотонов:
В случае аннигиляции электрона и позитрона в состоянии покоя образуются два фотона, которые летят в противоположных направлениях под углом 180 градусов. Их энергии равны энергии покоя электрона (511 кэВ). Если электрон и позитрон имеют значительную кинетическую энергию, может образоваться большее число фотонов, а также другие элементарные частицы (например, электрон-позитронные пары).
Явление Брейта-Виллера (образование пар из фотонов):
Явление Брейта-Виллера является обратным процессом аннигиляции. При взаимодействии двух высокоэнергетических фотонов может произойти образование электрон-позитронной пары. Для того, чтобы это произошло, суммарная энергия двух фотонов должна быть не менее 1,022 МэВ (двойной энергии покоя электрона). Это явление демонстрирует симметрию между аннигиляцией и образованием пар, подчеркивая взаимосвязь материи и энергии, выраженную в знаменитом уравнении Эйнштейна E=mc².