Warum verursacht ein Photon, das mit einem Atomkern kollidiert, eine Paarbildung?

Dieser Prozess ist das Ergebnis der Zusammenarbeit zweier Naturtheorien:

(i) Spezielle Relativitätstheorie: Dies ist ein riesiges Thema, das es zu studieren gilt, aber wir werden nur einen kleinen Teil davon benötigen, und vielleicht den berühmtesten, der uns dies sagt

$E=mc^2$.

Diese Gleichung zeigt uns, dass Materie und Energie gleichwertig und austauschbar sind. Zum Beispiel, wenn eine Energiemenge$E = 2m_ec^2$in einem sehr kleinen Raumbereich verfügbar wird, wo$m_e$gleich der Masse des Elektrons (oder Positrons) ist, dann ist es möglich, es in zwei Teilchen umzuwandeln, das Elektron und das Positron.

(ii) Quantenmechanik: Dies sagt uns, dass elektromagnetische Wellen durch „Partikel namens Photonen“ dargestellt werden, die die Energie des elektromagnetischen Feldes tragen. Die Energiemenge, die ein Photon trägt, wird durch die berühmte Gleichung angegeben

$E=hf$Wo$h=6.63\times 10^{-34}$Js und$f$ist die Frequenz des Photons. Also, wenn das Photon trägt die Menge an Energie$E=2m_ec^2$wie es von einer Quelle emittiert wird (normalerweise$gamma$)-Emitter dann kann folgendes passieren:

Während sich das Photon im Weltraum bewegt, ermöglicht QM die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares, das nur für sehr kurze Zeit lebt, weil sie sich wieder in das ursprüngliche Photon vernichten – diesen Vorgang nennt man „Vakuumpolarisation“. Diese beiden Teilchen existieren in virtuellen Zuständen und können nicht einfach so getrennt werden, da dies gegen den Impulserhaltungssatz verstoßen würde.

Wenn sich jedoch ein Atomkern in der Nähe befindet, ist es möglich, dass ein zweites Photon, das aus dem Atomkern kommt, die beiden Teilchen trennen kann, bevor sie wieder vernichten, um das ursprüngliche Photon zu ergeben, das sie erzeugt hat. Dh das Coulomb-Feld des Kerns „drückt“ das Positron weg, während es das Elektron zu sich „zieht“. Dadurch wurden die beiden Teilchen real und können zur Speicherung und weiteren Verwendung in Magnetfelder geleitet werden.

Diese Prozesse finden „hinter den Kulissen“ einer Paarbildung statt. Der Teil der Physik, der sich mit diesen faszinierenden Quantenphänomenen beschäftigt, heißt Quantenelektrodynamik.

Erweiterung: Mit dem Absatz, der mit „Allerdings, wenn ein Atom …“ beginnt, meine ich Folgendes:

Stellen Sie sich vor, a$\gamma$-Photon mit ausreichender Energie, das sich aus nächster Nähe einem Atomkern nähert. Wie das Photon die erzeugt$e^--e^+$Paar wird das Positron vom Kern weg gestreut, während das Elektron in einem virtuellen Zustand auf den Kern zufliegt, wo es ein virtuelles Photon absorbiert, effektiv mit dem Coulomb-Feld des Kerns interagiert und in einen neuen Impulszustand gestreut wird. Dabei trägt der Kern einen Teil des Impulses des virtuellen Elektrons mit sich. Die Anwesenheit des Atomkerns erleichtert die Aufspaltung des Paares, während das Prinzip der Impulserhaltung eingehalten wird.

Lassen Sie uns zu Beginn die Paarproduktion untersuchen. Aus der Relativitätstheorie wissen wir, dass Masse gleich Energie sein kann und wenn wir die wichtigsten physikalischen Konstanten auf eins setzen$\hbar = c = \varepsilon = 1$, dann haben wir die folgende Beziehung (unter der Annahme, dass wir ein Elektron-Positron-Paar erzeugen):

Wo$\omega$ist die Energie (oder die Frequenz) des Photons und$\gamma$ist der relativistische Faktor.

In der Quantenmechanik geht es darum, dass alles passieren kann, was passieren kann. Aber die Frage ist, wie oft es passieren wird. Die Paarbildung im Vakuum ist jedoch aufgrund der Impulserhaltung nicht erlaubt. Der Beweis lautet wie folgt: Wir können die Energie des Teilchen-Antiteilchen-Paares in einen Impuls von Null übertragen, aber das Photon wird keinen Impuls von Null haben, da es nicht in Ruhe sein kann.

Jetzt kann die Impulserhaltung "fixiert" werden, wenn wir irgendwelche Kerne in der Nähe haben, dann tragen sie die erforderliche Menge an Impuls, so dass der Prozess kinematisch erlaubt wird.

Wenn das nicht genug ist, könnten Sie klarstellen, was Sie mit „hinter den Kulissen“ meinen?

UPDATE: Annav hat eine sehr gute Erklärung zum „Warum“-Teil. Ich wollte nur betonen, dass es passiert, weil der Prozess physikalisch ist. Wie annav und twistor59 sagten, ist das Problem, dass der Prozess physikalisch machbar ist und das für die quantenmechanische Natur unserer Welt ausreicht, um ihn zu verwirklichen. Anstatt also zu fragen , warum , sollten wir fragen, wie oft und und Annavs Antwort zeigt, dass es eine Theorie namens Quantenelektrodynamik gibt, die uns hilft, dies vorherzusagen.

Außerdem wollte ich anmerken, dass wir zwar einen Prozess haben können, bei dem wir tatsächlich ein Paar Quarks produzieren, bei einem solchen Prozess muss man jedoch bedenken, dass in unserer Welt keine einsamen Quarks beobachtet wurden, und dies liegt daran, dass Quarks vollständig sind andere "Bestien" als Leptonen (dh.$e^-$,$e^+$,$\mu^-$,$\mu^+$,$\tau^-$Und$\tau^+$Elementarteilchen). Das Verhalten der Quarks wird durch die Quantenchromodynamik ziemlich gut erklärt, der genaue Mechanismus ist mir jedoch noch unbekannt. Ich wollte nur sagen, dass der Fall der Quark-Antiquark-Produktion viel komplizierter ist als der Fall der Lepton-Antilepton-Produktion.

Die Antwort von @gns-ank deckt die Kinematik des Warum ab. Nachfolgend gehe ich auf die ein

Warum "spaltet" sich ein Photon in ein Elektron und ein Positron auf und prallt nicht nur vom Kern ab?

in Ihrem Kommentar zu seiner Antwort.

Im Allgemeinen kann die Physik das „Warum“ verschachtelt beantworten, wie russische Puppen. Am Ende lautet die Kernel-Antwort "weil es funktioniert". In diesem Fall befinden wir uns jedoch mitten in der Verschachtelung und können das „Warum“ beantworten.

Photonen wechselwirken elektromagnetisch mit dem Feld des Kerns oder manchmal auch mit den Elektronen der Atome nach etablierten Problemlösungen der Quantenelektrodynamik . Diese Theorie wurde sehr sorgfältig validiert und gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass das Photon abprallt, sowie die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron-Positron-Paar oder ein Quark-Antiquark-Paar usw.

In diesem Blasenkammerbild aus der großen Anzahl von Photonen, die gleichzeitig durchgehen, ohne mit den Atomen oder Kernen zu interagieren, gelang es einem Photon, mit einem Elektron zu interagieren, gesehen, und ein Paar zu bilden und weiter ein Paar mit höherer Energie zu bilden auf einem Kern (der nicht gesehen wird, dass er nicht genug Impuls im Laborrahmen hat). Geringe Wahrscheinlichkeit, aber es ist passiert (könnte auch Zufall sein, zwei Photonen, aber es scheint auf den Scheitelpunkt zu zeigen)!

Wir können dann auf „Warum elektromagnetisch“ gehen, was uns zu dem validierten Standardmodell führt, und dann auf „Warum das Standardmodell“ und einige denken, dass es Saiten sind, andere haben andere Meinungen, aber wir haben den aktuellen Kern von erreicht Verschachtelung, und die Antwort ist "weil es so ist".

Weil sein elektromagnetisches Feld ein Proton oder ein Elektron anzieht, weil es selbst als Teilchen eine Ladung hat, wird es, wenn es sich mit einem Elektron anzieht, dieses ausschalten, während es Impuls überträgt, und die Position des Elektrons mit einer negativen Ladung beim Anziehen einnehmen zuerst ein Proton, weicht ihm dann aber aus, wobei das Proton aus dem Kern fliegt und sich beim Verlassen durch das Magnetfeld des Atoms dreht, und verursacht einen statischen Schock im Atom mit einem statischen Schock, der ein Elektron verursacht (wahrscheinlich das gleiche Photon). ). Und wahrscheinlich auch ein Neutron, das ein weiteres Atom umhüllt, um sich in der Nähe zu bilden, wobei die übrig gebliebene Energie das Elektron ankurbelt.

AFAIK gibt es keine Erklärung unter kanonischen Theorien.
Eine plausible Erklärung fand ich in dem Buch (Monographie) von Douglas Pinnow Our Resonant Universe

.. Modell von Teilchen, das nur auf Elektromagnetismus (EM) basiert, das nur einen Parameter (Elektronenmasse) hat und die Teilcheneigenschaften innerhalb von 1% ihrer Werte ableitet (Barionmassen unter 0,1%) und nicht unter dem barionischen Spin leidet Krise. Das Modell verwendet drei Bausteine: Elektron, Pion und Myon. Die Begriffe Masse, Ladung und Gravitationskraft wurden klar.

Kurz gesagt: ein Positron + Elektron entspricht EM: Wenn sie sich treffen, haben wir Gammastrahlen und umgekehrt kollidieren zwei Gammastrahlen frontal und wir haben ein Paar. Wie können sowohl leichte als auch massive Teilchen „dasselbe“ sein? Pinnow Buch antwortet auf das „Warum“.

Der Hilfskern wird benötigt, um ein Photon mit sich selbst einzufangen (eine Frontalkollision). Auf diese Weise wird das Photon in einem resonanten Zustand gefangen (die Teilchen) und verliert seine natürliche Freiheit :).

Zu dieser Frage findet man Fotos von ausgewählten Seiten des Buches .
edit add:
Pinnow Karriere :
Douglas Pinnow erhielt 1961 einen Bachelor in technischer Physik von Cornell und promovierte 1967 als NASA-Stipendiat in Physik an der Katholischen Universität von Amerika . Anschließend wurde er Supervisor der Quantum Electronics Group bei Bell Labs , stellvertretender Leiter der Abteilung für chemische Physik bei Hughes Research Laboratory und Direktor für Forschung und Entwicklung bei Times Fiber . 1985 gründete er Universal Photonix und später dessen Tochterunternehmen Electronic Monitoring Systems.

Dr. Pinnow ist Fellow der Optical Society of America und hat den Vorsitz bei wichtigen Konferenzen der OSA und IEEE geführt , wie z. B. der Konferenz über Laser und Elektrooptik von 1983. Derzeit unterrichtet er Elektrooptik an der UC Irvine und hat über fünfzig Fachbeiträge verfasst und zahlreiche Patente auf seinen Namen