Paarbildung von einem Gammaphoton zu einem Elektron und einem Positron

Ein einzelnes Photon kann nur in Anwesenheit eines anderen Körpers wie eines Atomkerns ein Paar erzeugen. Dieser zusätzliche Körper ist erforderlich, um den Impuls zu erhalten. Im Fall der Paarerzeugung aus einem einzelnen Photon muss das Photon genug Energie haben, um sowohl das Teilchen als auch das Antiteilchen zu erzeugen, zB um ein Elektron-Positron-Paar zu erzeugen, würde es eine Energie von 1022 keV benötigen.

Wenn ein Elektron und ein Positron vernichten, erzeugen sie zwei 511-keV-Photonen, sodass keines dieser beiden Photonen genug Energie hat, um ein weiteres Elektron-Positron-Paar zu erzeugen.

Im Prinzip können zwei 511-keV-Photonen miteinander wechselwirken, um ein Elektron-Positron-Paar zu erzeugen, aber es stellt sich heraus, dass die Wahrscheinlichkeit für diesen Prozess verschwindend gering ist, sodass er in der Praxis nie beobachtet wird.

Zum Feynman-Diagramm: Es ist sehr, sehr wichtig zu verstehen, dass ein Feynman-Diagramm keine Darstellung dessen ist, was mit den Teilchen passiert. Es ist eine bildliche Darstellung eines Integrals, das Propagator genannt wird . Sie sollten nicht versuchen, es als einen physikalisch ablaufenden Prozess zu interpretieren, da dies Sie in die Irre führen wird.

Beachten Sie das Feynman-Diagramm, das beschreibt, wie ein einzelnes Photon ein Elektron-Positron-Paar in dem von Ihnen angegebenen Link ergeben kann :

Das Gamma, das aus dem Z (einem Kern mit einem elektrischen Feld) kommt, wird als virtuell bezeichnet, und die beiden Teilchen sind die Wirkung des Gammas, das auf einen Kern trifft, was eine Impulserhaltung der Paarbildung ermöglicht. Ein einzelnes Photon hat keinen Massenschwerpunkt und bewegt sich immer mit der Geschwindigkeit c. Das Elektron-Positron hat einen Massenmittelpunkt und kann mit dem Paarimpuls Null erzeugt werden (man kann immer in das Trägheitssystem gehen, in dem das Paar ruht), sodass ein einzelnes Photon aus Erhaltungsgesetzen kein Paar erzeugen kann.

Ihr Vorschlag am Ende der Frage würde auch gegen die Energieeinsparung verstoßen.

Aus dem Feynman-Diagramm, das Sie zeigen, kann man die Vernichtungswahrscheinlichkeit berechnen, wenn Positronen an einem Elektron streuen. Am Schwerpunktrahmen verlassen die zwei Photonen in gleichen und entgegengesetzten Richtungen und Impuls und Energie bleiben erhalten. Die Linie, die die Scheitelpunkte verbindet, ist ein virtuelles Elektron. Man muss die Quantenfeldtheorie studieren, um die Mathematik zu verstehen.

Die Elektron-Positron-Vernichtung erfordert die Erzeugung von zwei Photonen, um den Impuls zu erhalten (die beiden Photonen müssen sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen).

Bei der Paarerzeugung erzeugt ein einzelnes einfallendes Photon kein Elektron-Positron-Paar, da die Impulserhaltung nicht gelten würde.

Es tritt jedoch eine Impulserhaltung auf, und dieser Prozess ist zulässig, wenn Sie ein anderes geladenes Teilchen in der Nähe haben, das sich um den Photonenimpuls kümmert (eine solche Wechselwirkung tritt normalerweise in der Nähe eines Kerns auf).

Sie haben auch ein Feynman-Diagramm hinzugefügt und fragen, was die Linie dazwischen bedeutet. Diese Linie wird Propagator genannt und drückt mathematisch die Wahrscheinlichkeitsamplitude aus, dass eine Teilchenwechselwirkung zwischen zwei Raumzeitpunkten stattfindet. Sie scheinen anzudeuten, dass die Partikel den durch diese Diagramme beschriebenen Pfaden folgen. Die Teilchen haben keine klassischen Bahnen, wie die Diagramme zu implizieren scheinen. Vielmehr handelt es sich um bildliche Beschreibungen mathematischer Objekte.