Ich wäre dankbar für die Erklärung eines Laien, falls es eine gibt, zu dieser Frage, die beim Lesen eines Artikels auf populärwissenschaftlicher Ebene über Einstein und die aufkam Gleichung.
Was ich meine ist, warum ist das Produkt der Reaktion kein elektrisch neutrales Massendublett (= 1,022 MeV) und welche entgegengesetzten Ladungen halten die beiden Teilchen angezogen?
Eine Erklärung für einen Laien.
Ein Wasserstoffatom existiert aufgrund der Quantenmechanik und nicht der klassischen Mechanik. In der Quantenmechanik gibt es Energieniveaus, bei denen das Elektron des Wasserstoffatoms, das im Verhältnis zum Proton eine winzige Masse hat, nur feste Energieniveaus um das Proton herum einnehmen kann. Der niedrigste ist der Grundzustand und ist ungleich Null, was die Existenz des Wasserstoffatoms zulässt. Sonst würde, wenn wir nur die klassische Theorie hätten, das Elektron auf das Proton fallen und kein Wasserstoffatom wäre möglich. Im Quantengrundzustand hat das Elektron nicht genug Energie, um ein Proton in ein Neutron umzuwandeln, die Energieerhaltung verhindert das Verschwinden.
Dennoch kann in der Quantenmechanik, die eine Wahrscheinlichkeitstheorie ist, eine winzige Wahrscheinlichkeit dafür bestehen, dass die Elektronenwellenfunktion auf ein Quark im Protonenkern trifft und wechselwirkt, was zur Folge hat, dass das Wasserstoffatom zerstört wird. Die Wahrscheinlichkeit ist so gering, dass sie vernachlässigt werden kann.
Im Gegensatz dazu hat das Positronium-"Atom" Energieniveaus wie Wasserstoff, und deshalb beobachten wir es, aber die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Elektron und das Positron im Grundzustand überlappen, ist enorm, weil sie die gleiche Masse haben und hauptsächlich mit dem Elektromagneten interagieren Feld, und sobald das Positron den Grundzustand erreicht (der mathematisch dem Grundzustand des Wasserstoffelektrons entspricht), überlappt es mit dem Elektron und annihiliert, weil dies das wahrscheinlichste Ergebnis ist.
Es ist alles eine Frage der Größen von Konstanten, die die Wechselwirkungen beschreiben, und der Erhaltungsgesetze, deren Details Sie studieren müssen, um sie zu verstehen.
Da Sie um eine Erklärung eines Laien gebeten haben, werde ich versuchen, Ihnen eine zu geben, die sich an die Grundlagen hält (z. B. was ich in der High School gelernt habe) und hoffentlich nicht zu einfach ist . Ich werde auch die subatomaren Partikel anthropomorphisieren, da dies die Erklärung schneller macht :)
Die Grundidee ist, dass sich die beiden Teilchen vernichten, weil sie es können, und jedes Mal, wenn etwas zerfallen kann, wird es wahrscheinlich passieren. Dies ist größtenteils auf die Kombination zweier physikalischer Konzepte zurückzuführen: Zustände minimaler Energie und Erhaltung von Quantenzuständen.
Der erste Teil besagt im Wesentlichen, dass Teilchen es „bevorzugen“, in dem niedrigsten Masse- und Energiezustand zu sein, den sie können. Wann immer sie „zu viel“ Masse oder Energie haben, versuchen sie, dies durch Zerfall zu beheben. Aus diesem Grund zerfallen massereiche Teilchen, wie sie in riesigen Teilchenbeschleunigern entstehen, so schnell. Obwohl Masse und Energie äquivalent sind, wird Energie aus verschiedenen Gründen gegenüber Masse "bevorzugt", wenn ein Teilchen entscheidet, welche Form es annehmen soll.
Das Teilchen mit der geringsten Masse, das wir kennen, ist das Photon – es hat keine Masse und besteht vollständig aus Energie. Andere Teilchen geben also ziemlich schnell ab und/oder verwandeln sich in Photonen, wenn sie können. Aus diesem Grund leuchten Glühbirnen: Die Elektronen geben einen Teil ihrer eigenen Energie als Photonen ab, damit sie sich im niedrigstmöglichen Energiezustand befinden können.
Die zweite Idee besagt jedoch, dass sich bestimmte Größen eines Systems niemals ändern können. Sie haben wahrscheinlich schon von „Energieerhaltung“ oder „Impulserhaltung“ gehört, aber viele physikalische Größen bleiben erhalten, einschließlich der Ladung. Damit ein Elektron in etwas zerfallen kann, muss dieses Ding ansonsten alle die gleichen Erhaltungsgrößen haben, aber weniger Masse, und es gibt einfach kein solches Teilchen. Ein Photon ist weniger massiv, aber es hat keine Ladung, also ist das keine Option.
Nun führen wir ein Positron ein. Das Positron allein hat das gleiche Problem wie das Elektron: Es ist geladen, damit es nicht in ein Photon zerfallen kann. Aber es hat eine positive Ladung, die genau den entgegengesetzten Wert hat wie die negative Elektronenladung. Ich überspringe hier viele Details, einschließlich anderer konservierter Mengen, aber Sie sollten die Idee verstehen. Der Schlüssel ist, abgesehen von der Masse, dass ein Positron für jede dieser Erhaltungsgrößen genau den entgegengesetzten Wert als ein Elektron hat.
Wenn die beiden kollidieren, heben sich alle anderen Erhaltungsgrößen auf und werden Null. Uns bleibt nur ein Objekt mit der kombinierten Masse der beiden ursprünglichen Teilchen. Es gibt jetzt keinen Grund, nicht in Photonen zu zerfallen, also passiert genau das.
wäre für ein paar sehr weit entfernte Teilchen, bei denen der Beitrag der negativen potentiellen Energie zur Gesamtmasse vernachlässigbar ist. Positronium hat eine kleinere Masse und ein vernichtetes Positronium hat die Masse Null, wenn man so will.
Das Produkt der Reaktion ist ein elektrisch neutrales Dublett der Masse 2 M (bis zu vernachlässigbaren Korrekturen der potentiellen Energie), in dem die beiden Teilchen durch die entgegengesetzten Ladungen angezogen bleiben. Dieses Elektron-Positron-System wird "Positronium" genannt. Positronium zerfällt dann in Photonen, weil das Elektron und das Positron in einem relativistischen Compton-Wellenlängenvolumen vernichten können, wenn sie sich nahe genug kommen. Der Vernichtungsprozess ist eine elementare Interaktion, ich weiß nicht, wie ich es einfacher beschreiben soll.
Jerry Schirmer