Woher kommen Gammastrahlenphotonen?

Wenn ich in einem See stehe, kann ich durch Bewegen meiner Hand eine Welle im Wasser erzeugen. Aber diese Welle war vorher nicht im Wasser und schon gar nicht in meiner Hand .

Woher kam also die Welligkeit? Wir können sagen, dass es durch die Wechselwirkung zwischen meiner Hand und dem Wasser entstanden ist. Auf einer etwas tieferen Ebene entstand es aus der Energie in den Muskeln, die meine Hand bewegten, die von der Nahrung stammte, die ich zuvor gegessen hatte.

Das gleiche Prinzip gilt für die Gammastrahlenemission eines Atomkerns. Die Ladungen im Kern erzeugen Wellen im elektromagnetischen Feld, aber diese Wellen waren vorher nicht „innerhalb“ des Kerns. Die Energie, die verwendet wurde, um sie zu erschaffen, war es jedoch.

Diese Art des Denkens ist notwendig, um mehr als nur Gammastrahlenphotonen zu verstehen. Zum Beispiel verwandelt sich beim Beta-Zerfall ein Neutron in ein Proton und ein Elektron und ein Neutrino. Keines dieser drei Objekte befand sich von Anfang an „innerhalb“ des Neutrons. (Wir haben Teilchen zerschmettert, um dies zu überprüfen.) Stattdessen sollte man sich das Neutron als eine Welle in einem Quantenfeld vorstellen, die Wellen in anderen Quantenfeldern erzeugt, so wie eine Hand Wellen im Wasser erzeugt.

"Ein Photon, das aus dem Nichts auftaucht"

Der Wortlaut legt für mich nahe, dass Sie erwarten, dass einige Eigenschaften erhalten bleiben , dh sich im Laufe der Zeit nicht ändern. Und tatsächlich bleiben viele physikalische Größen erhalten. Ein aus dem Nichts auftauchendes Teilchen würde das definitiv verletzen. Schauen wir uns einige dieser Erhaltungsgrößen an: Energie, Impuls, elektrische Ladung.

Ein Photon hat definitiv Energie, aber Ihr Gammaphoton wurde durch einen nuklearen Prozess erzeugt. Das ist buchstäblich Kernenergie; der ursprüngliche Atomkern hatte eine höhere Energie als der resultierende Kern.

Auch ein Photon hat einen Impuls. Im Gegensatz zu Energie ist Impuls ein Vektor. Sie werden den resultierenden Kernrückstoß sehen, nachdem er ein Gammaphoton emittiert hat – er erhält eine Impulsänderung in die entgegengesetzte Richtung. Der Gesamtimpuls bleibt erhalten; die beiden Impulse addieren sich genau zu Null.

Schließlich ist die elektrische Ladung die einfachste von allen: Ein Photon hat einfach keine elektrische Ladung, also ist dies eine weitere Erhaltungsgröße.

Es gibt noch mehr Erhaltungsgrößen, aber am Ende ist die Schlussfolgerung einfach: Ein Photon ist nur ein Teilchen mit wenigen Eigenschaften, und all diese individuellen Eigenschaften können erklärt werden.

Photonen werden durch Ladungen erzeugt, die den Orbitalzustand ändern oder beschleunigt werden. In einem Atom kann dies bedeuten, dass Elektronen einen Übergang zwischen Energieniveaus machen (und dort entsteht das meiste sichtbare Licht und sogar Röntgenstrahlen. Es kann auch bedeuten, dass die Protonen in einem Kern einen Übergang zwischen Energieniveaus gemacht haben, und Dieser Prozess erzeugt Gammastrahlen.

Kerne sind sehr fest gebunden, alle Ladungen liegen eng beieinander, daher sind die Energieniveaus höher als die der Elektronen eines Atoms. Um den Kern zu stören, sind normalerweise ein nukleares Zerfallsereignis oder sehr hochenergetische Kollisionen (wie sie beispielsweise von einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden) erforderlich. Nukleare Energieniveaus ergeben einen vorhersagbaren Satz von Spektrallinien, genau wie atomare (Elektronenorbital-) Energieniveaus. Nachdem eine nukleare Störung auftritt, befindet sich der Kern (oder die Tochterkerne) typischerweise in einem anderen Zustand als dem (stabilen) Grundzustand.
Der angeregte Zustand zerfällt, indem ein oder mehrere Photonen emittiert werden, die als Gammastrahlen bezeichnet werden.