إنتاج وتلاشي الجسيمات Pair Production and Annihilation: بعد أن درسنا الظاهرة الكهروضوئية وإنتاج أشعة اكس وظاهرة كمبتون يمكننا أن نتساءل إذا كان من الممكن ان تكون هناك ظاهرة طبيعية يتم فيها تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية إلى طاقة سكون أي طاقة تكوين!! هذا ممكن بشرط تحقيق قانون الحفاظ على الطاقة وكمية الحركة والشحنة الكلية.
تحويل الفوتون إلى جسيم Pair Production
بما أن الفوتون ليس له شحنة فإن الجسيم الناتج يجب أن يتكون من زوج من الجسيمات مختلفة الشحنة حتى نحافظ على الشحنة.. أي ان لا يمكن تحويل الفوتون إلى إلكترون مفرد ولكن توليد الكترونيين احدهما سالب والآخر موجب ويسمى البوزيترون positron وذلك للحفاظ على الشحنة الكلية وهذه العملية تسمى electron pair production.
أقل طاقة يمكن ان يمتلكها الفوتون ليتحول إلى الكترون وبوزيترون يجب ان تساوي طاقة تكوين كلا من الجسيمين وذلك للحفاظ على الطاقة.
hfo = 2moc2
وحيث أن طاقة تكوين الإلكترون أو البوزيترون هي moc2 وتساوي 0.51MeV لذا فإن اقل طاقة للفوتون يجب أن تكون 1.02MeV وهذه الطاقة تقابل فوتون طوله الموجي 0.012 انجستروم وهذا طول موجي قصير جداً يقع في مدى أشعة جاما.. أي أن الفوتون القادر على التحول إلى جسيمان يجب أن يكون له طاقة على الأقل أكبر من 1.02MeV حتى يستطيع التحول إلى جسيمان.
إذا كان الفوتون يحمل طاقة اكبر من طاقة تكوين زوج الجسيمات moc2 فإن الطاقة الإضافية ستظهر على شكل طاقة حركة للجسيمان وتكون المعادلة الرياضية للطاقة على النحو التالي ..
hf = m+c2 + m–c2 = (moc2+Ek+) + (moc2+Ek–)
hf = 2moc2 (Ek+ + Ek–)
وبالفعل تم مشاهدة تولد الإلكترون والإلكترون المضاد (البوزيترون) في تجارب التفاعلات النووية.
حيث يستخدم في تلك التجارب غرفة بها نوع خاص من الرغوة bubble chamber لتتبع مسار تلك الجسيمات عند تولدها. وفي الشكل المقابل نشاهد نتائج احد تلك التجارب حيث لا يكون للفوتون اثر وعندما يتحول إلى جسيمين تكون المسار للالكترون والبوزيترون على شكل حرف V وذلك لوجود مجال مغناطيسي يؤثر على الجسيمين فينحرف احدهما في عكس الآخر لاختلاف الشحنة التي يحملها الجسيمين.
وللحفاظ على كمية الحركة (كمية الحركة قبل التحول تساوي كمية الحركة بعد التحول) يجب أن يكون هناك جسيم ثالث لامتصاص الفرق في كمية الحركة وهذا الجسيم الثالث هو نواة الذرة حيث أن إنتاج الجسيمات يتم عندما تمر الفوتونات ذات الطاقة العالية بالقرب من نواة ذرة ثقيلة…
نلاحظ هنا أن ظاهرة إنتاج الجسيمات تشبه الظاهرة الكهروضوئية وظاهرة كمبتون في أنها تبدأ بفوتون وتنتهي بإلكترون..
تحويل الجسيم إلى فوتون Pair Annihilation
ظاهرة تحويل (تلاشي annihilation) زوج من الجسيمات إلى فوتون هي الظاهرة العكسية لتحويل الفوتون إلى جسيم (ظاهرة إنتاج الجسيمات).
تحدث ظاهرة تلاشي الجسيمات عندما يتوفر الجسيم وضده مثل الإلكترون والبوزيترون ولنفترض أن كلاً من الجسيمان في حالة سكون وهنا تكون كمية الحركة تساوي صفر وفي حالة تلاشى هذين الجسيمان معاً فإنه وبدون شك سوف لا يتولد فوتون واحد عن هذه العملية وإلا فإن قانون الحفاظ على كمية الحركة لن يكن متحقق بعد ظاهرة التلاشي لذا فمن المتوقع أن يكون الناتج عن تلاشي الجسيمان فوتونان كل فوتون يتحرك في اتجاه معاكس للفوتون الآخر وبنفس مقدار كمية الحركة كما هو موضح في الشكل المقابل. هذان الفوتونان سوف يمتلكان نفس التردد وبالتالي نفس الطاقة. وللحفاظ على الطاقة تكون الطاقة الكلية قبل التلاشي تساوي طاقة الفوتونين بعد التلاشي.
2moc2 = hf1 + hf2
ومن قانون الحفاظ على الكمية الحركة نحصل على المعادلة التالية:
0 = hf1/c – hf2/c
حيث أن تردد الفوتونين متساوي فإن
hf1 = hf2 = hfmin = moc2
حيث أن hfmin هي اقل طاقة للفوتونات الناتجة عن تلاشي الجسيمات وتساوي طاقة تكوين الإلكترون وهي 0.51MeV
