Образование электронно-позитронных пар

При энергии фотона более 2т0с2 =1,02 МэВ, наряду с фотоэффектом и комптон-эффектом, может происходить процесс образования электронно-позитронных пар. Фотон в поле ядра или электрона исчезает, а вместо него рождается пара электрон+позитрон. Возможность такого процесса была обнаружена в 1928 году Дираком на основе анализа релятивистского квантово-механического уравнения для электрона. Подобно фотоэффекту этот процесс не может происходить в пустоте из-за нарушения законов сохранения энергии и импульса, а происходит лишь в поле какой-либо частицы, которая при отдаче может унести с собой избыток момента. В поле ядра или электрона процесс образования пары у-квантом возможен, так как можно распределить энергию и импульс у-кванта между тремя частицами без противоречия с законами сохранения. Вследствие равенства масс позитрона и электрона наиболее вероятно и равное распределение энергии между ними. Иными словами, разность между энергией падающего у-кванта Е и энергией покоя позитрона и электрона равна сумме их кинетических энергий:

Но могут возникнуть также электроны и позитроны с различными энергиями. При этом образовавшиеся позитрон и электрон разлетаются таким образом, что геометрическая сумма их импульсов плюс импульс ядра, в поле которого происходит образование пары, равняется импульсу у-кванта.

Если процесс образования пары происходит в кулоновском поле ядра (упругое образование пар) или протона (рис. 3.11, а), то энергия образующегося ядра отдачи оказывается пренебрежимо малой (так как масса ядра много больше массы электрона и позитрона) и практически вся энергия у-кванта преобразуется в кинетическую энергию электрона и позитрона, а пороговая энергия фотона для образования пары практически совпадает с суммой энергий покоя электрона и позитрона: Образование пар

Рис. 3.11. Образование пар

Образование пары в кулоновском поле электрона (неупругое образование пар) представляет собой, по существу, образование пары внутри атома, когда энергия отдачи поглощается электроном и он покидает атом, т. е. отвечает образованию триплета. Так как энергия отдачи электрона существенно больше энергии отдачи ядра, то пороговая энергия фотона для этой реакции повышается до

В этом процессе (рис. 3.11, б) образуются 3 частицы (триплет): пара электрон-позитрон и электрон отдачи, образовавшийся в результате ионизации атома, что позволяет рассматривать данный процесс как образование электронно-позитронной пары в поле свободного электрона. Образовавшиеся электрон и позитрон летят вперед по направлению

движения образовавшего их фотона под углом , град. Однако

вероятность образования пар в поле электрона примерно в 1000 раз меньше, чем в поле ядра.

Кроме того, электронно-позитронная пара может образоваться в следующих случаях: в поле электрона очень мягким фотоном (Е, * ЮэВ),

если он взаимодействует с ультрарелятивистским электроном; под действием двух фотонов с суммарной энергией , а также при

соударении двух электронов, если полная энергия движущегося электрона

Сечение образования пары в поле ядра растет с увеличением заряда ядра, как При энергии незначительно выше порога сечение

образования пар растет примерно пропорционально 1п2Е , а при высоких энергиях >5 ГэВ) достигает наибольшего значения и далее не растет (для материалов с высоким I начиная с Е. »50 МэВ). В общем случае сечение образования пар для энергий

, а для случая образования триплета % ~ 2 .

Как и в случае фотоэффекта, процесс образования пар сопровождается относительно мягким у-излучением, имеющим, однако, другое происхождение. Свободный позитрон нестабилен в присутствии электронов среды. Потеряв большую часть своей энергии, он быстро рекомбинирует с одним из электронов (в основном свободных). Исчезновение позитрона в этом процессе аннигиляции сопровождается излучением эквивалентного количества энергии в виде у-излучения: аннигиляционный процесс фактически является обратным процессу образования пар. Таким образом, аннигиляция позитронов приводит к возникновению двух гамма-квантов с энергией 0,51 МэВ. Аннигиляционное излучение имеет наибольшее значение для источников у-излучения высоких энергий (от 6 до 10 МэВ) и для среды из тяжелых элементов[2 = 25-^85). Оно

занимает заметную часть в спектре рассеянного излучения в области малых энергий (ниже 500 кэВ) и должно учитываться при рассмотрении мягкого излучения, и особенно интенсивности отраженного излучения.

Однако процесс образования пар практически не оказывает заметного влияния на полный линейный коэффициент ослабления у-излучения при энергиях у-квантов, излучаемых естественными и искусственными радионуклидами [1, 25, 31].

Процесс образования электронно-позитронных пар и процесс образования фотонов при торможении быстрых электронов в веществе являются причиной возникновения электронно-фотонных ливней.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >