Elektron–positroni paaride teke (paariteke) — definitsioon ja mehhanism

Elektron–positroni paaride teke (paariteke): definitsioon ja mehhanism — kuidas kõrgeenergia footonid (>25 MeV) loovad elektrone ja positrone, mõju materjalile ja kiiritusravis.

Füüsikas on paaride tekkimine (ingl k pair production) protsess, kus kõrgeenergilise fotooni energia muundub elektroniks ja positroniks. Tavaliselt toimub see siis, kui footon suhtleb aatomi tuumaga, mitte otseselt vabalt lebiva elektroniga. Fotooni energia osutub materjaliga kokkupuutel aatomiväljas ning tekib paar: üks negatiivselt laetud elektron ja üks positiivselt laetud elektron ehk positron. See lahti kirjutatud protsess nõuab energia- ja impulsikonservatsiooni tõttu tuuma (või mõnikord aatomielektroni) kaasamist, et liigset impulssi võtta.

Vajadus energiapiirangute ja mehhanismi järele

Paaride tekkimise minimaalne (teoreetiline) künnisenergia on kahe elektronimassi kokkuvõte: 2mec² = 1,022 MeV. See tähendab, et footoni energia peab olema vähemalt 1,022 MeV, et paar üldse tekkida saaks. Praktikas muutub paaride teke oluliseks ja märkimisväärseks osaks footoni hajumisest alles kõrgematel energiatel — protsessi tõenäosus suureneb footoni energia kasvades.

Detailsem mehhanism

Footon siseneb aatomiväljale ja kaob, muutes oma energia kaheks osakesteks: elektroniks ja positroniks.
Impulsi ja energia säilitamiseks on vaja osaline impulsi üleandmine aatomituumale või aatomielektronile (viimane juhtum on nn triplet–paariteke, mille tõenäosus on väiksem kui tuuma kaasamisel toimuv paariteke).
Kui paar on tekkinud, jaguneb sissepuhutud footoni ülejäänud kineetiline energia elektronide vahel; nende liikumissuund ja energiajadestus sõltuvad footoni energiast ja kinemaatikast.

Edasine käitumine ja anihilatsioon

Positron ei jää püsivalt; ta kaotab oma kineetilise energia peamiselt läbi ioniseerumise ja molekulaarse põnevuse tekitamise ning võib moodustada ka ajutise paaritu oleku (positronium) enne anihilatsiooni. Lõppstaadiumis anihileerub positron koos mõne elektroniga ning vabaneb tavaliselt kaks gamma‑footonit, igaüks ligikaudu 511 keV energiaga, mis liiguvad peaaegu vastassuunas.

Sõltuvus materjalist ja energiast

Paaride teke sõltub tugevalt aatomi massilisest numbrist Z — kõrge Z‑iga materjalides (nt tina, plii) on paaride tekkimise tõenäosus suurem (ligikaudu Z²‑sõltuvus kõrgetel energiatel) — ning footoni energiast. Väikestel energiatel (alla ~1–2 MeV) on paaride teke peaaegu olematu; mida kõrgem on footoni energia, seda suuremaks muutub selle protsessi osakaal footoni summutamisel. Näiteks kiiritusravis, kus kasutatakse mõnikord kõrgeenergilisi kiiri (mõned kuni mitu kümmet MeV), võib paaride teke hakata oluliselt panustama summutusse eriti raskemate elementide juures.

Seos teiste footonite ja materjalidega toimuvate protsessidega

Paaride teke on üks peamistest footoni‑materjali interaktsioonidest, kõrval teiste protsesside nagu fotoelektriline efekt ja Compton‑laine hajumine. Need protsessid sõltuvad footoni energiast ja materjali omadustest ning domineerivad eri energiavahemikes: fotoelektriline efekt madalatel energiatel, Compton keskmistel ja paaride teke kõrgetel energiatel.

Kokkuvõte: paaride teke on kõrgeenergilise footoni muundumine elektroniks ja positroniks aatomiväljas, nõuab minimaalset footonienergiat 1,022 MeV, sõltub tugevasti aatomi numbrist ja footoni energiast ning lõpeb tavaliselt positroni anihilatsiooniga, mis toodab 511 keV gamma‑footoneid.

Küsimused ja vastused

K: Mis on füüsikas paaritootmine?

V: Paaritootmine tähendab fotoni ja aatomi tuuma vahelist vastastikmõju, mille tulemusel tekib positiivselt ja negatiivselt laetud elektronide paar.

K: Kus toimub aatomis paaritootmine?

V: Paaritootmine toimub aatomi tuumas, mitte elektroniga, nagu madalama taseme röntgenkiirguse vastastikmõjude puhul.

K: Mis juhtub fotooniga paaritootmise korral?

V: Paaritootmisel annab footon oma energia tuumale ja loob elektronpaari.

K: Kuidas on paarisproduktsioonis tekkivad elektronid laetud?

V: Paaritootmisel tekkivad elektronid koosnevad ühest positiivselt laetud elektronist (positron) ja ühest negatiivselt laetud elektronist.

K: Mis mõjutab paaritootmise tõenäosust?

V: Paaritootmise tõenäosus on proportsionaalne sissetuleva footoni energiaga ja seda mõjutab materjali aatomiarv.

K: Millistel energiatasemetel toimub tavaliselt paaritootmine?

V: Paaritootmine toimub tavaliselt energiatasemetel üle 25 MeV.

K: Millal võib paarisproduktsioon kiiritusravi puhul esineda?

V: Paaritootmine võib toimuda kiiritusravi puhul, kus kasutatakse kõrge energiaga footonikiiri.