پديده توليد زوج

[Easy Bug]

ديد كلي

در تعبير رابطه معروف اينشتين (E = mc²) اصل هم ارزي جرم و انرژي بيان مي‌‌شود. به عبارت ديگر ، دو كميت جرم و انرژي به يكديگر قابل تبديل هستند. هرگاه تغييري در جرم حاصل شود، به وسيله تغيير ديگري در انرژي جبران مي‌‌شود. براي بررسي امكان تبديل انرژي به جرم مي‌‌توان به پديده توليد زوج اشاره كرد. به عبارت ديگر ، پديده توليد زوج مي‌‌تواند به اين پرسشها پاسخ دهد كه

• آيا مي‌‌توان از انرژي خالص ماده آفريد؟
  
  
• يا اينكه آيا مي‌‌توان انرژي سكون را به انرژي الكترومغناطيسي تبديل كرد؟
  
  البته لازم به ذكر است كه در چنين تبديلاتي بايد قوانين بقاي انرژي ، اندازه حركت و بار الكتريكي نقض نشود.

شرايط اوليه توليد زوج

در بين تمام ذرات شناخته شده ، الكترون داراي كوچكترين جرم سكون غيرصفر است و لذا كمترين انرژي براي توليد آن مورد نياز است. اما مي‌‌دانيم كه فوتون ذره‌اي بدون بار است، در حالي كه الكترون ذره‌اي باردار است. بنابراين براي اينكه قانون بقاي بار الكتريكي نقض نشود، علاوه بر الكترون بايد ذره باردار ديگري كه بار الكتريكي آن به اندازه بار الكتريكي الكترون با علامت مخالف است، ايجاد شود. اين ذره را پوزيترون مي‌‌گويند كه به آن پادذره الكترون نيز گفته مي‌‌شود.

الكترون و پوزيترون به جز از نظر علامت بارها ، از هر نظر ديگري به هم شبيه هستند. بنابراين اگر جرم سكون الكترون و پوزيترون را m_0 بگيريم، كمترين مقدار انرژي فوتون آفرينش يك زوج الكترون و پوزيترون ، با لحاظ كردن قانون بقاي انرژي برابر 2m0C² خواهد بود و چون انرژي سكون الكترون يا پوزيترون با لحاظ كردن مقادير جرم الكترون و سرعت نور برابر 0،51 ميليون الكترون ولت است، لذا كمترين مقدار انرژي فوتون يا به اصطلاح انرژي آستانه براي توليد بايد برابر 1،02 ميليون الكترون ولت باشد. بر اين اساس زوجهاي الكترون فقط به وسيله فوتونهاي اشعه گاما يا فوتونهاي اشعه ايكس كه طول موج خيلي كوتاهي دارند، قابل توليد است.

توليد زوج با انرژيهاي بيشتر از انرژي آستانه

اگر انرژي يك فوتون بيشتر از انرژي آستانه براي توليد زوج الكترون و حفره باشد، مازاد انرژي (يعني تفاضل انرژي فوتون و انرژي آستانه) به صورت انرژي جنبشي زوج آفريده شده ، ظاهر مي‌‌شود. اين انرژي مجموع انرژي جنبشي الكترون و پوزيترون است.

امكان توليد زوج در فضاي تهي

مي‌‌توان ثابت كرد كه در توليد ذره و پادذره انرژي و اندازه حركت بطور همزمان نمي‌‌توانند پايسته بمانند، مگر اينكه فوتون در نزديكي ذره سنگيني ، همچون هسته يك اتم باشند. به بيان ديگر ، پديده توليد زوج در فضاي تهي غيرممكن است. به عنوان مثال ، فرض مي‌‌كنيم كه در يك فضاي تهي ، فوتون ناپديد شده و يك زوج الكترون و حفره آفريده شود.

همچنين فرض كنيد كه ناظر نسبت به مركز جرم الكترون و پوزيترون ساكن است. در اين صورت اندازه حركت كل الكترون و پوزيترون نسبت به اين ناظر صفر خواهد بود. اما فوتوني كه زوج را توليد مي‌‌كند، در اين چارچوب مرجع داراي اندازه حركت غير صفر خواهد بود، چون فوتون در هر چارچوب مرجعي همواره با سرعت C حركت مي‌‌كند. بنابراين بايد قبل از برخورد اندازه حركت فوتون را داشته باشيم، نه اندازه حركت خالص بعد از برخورد را. بطور خلاصه ، يك فوتون نمي‌‌تواند خودبه‌خود در فضاي تهي به يك زوج الكترون _ پوزيترون واپاشيده شود.

آشكارسازي زوج الكترون و پوزيترون

به دليل اثرهاي يونشي كه ذرات باردار هنگام حركت خود در گاز توليد مي‌‌كنند، مسير حركت آنها قابل روئيت است. حال اگر در اين محيط يك ميدان مغناطيسي اعمال شود، در اين صورت پوزيترون و الكترون به دليل داشتن بارهاي الكتريكي مخالف در قوسهاي دايره‌اي با جهتهاي مخالف منحرف مي‌‌شوند. بنابراين مسير الكترون و پوزيترون قابل مشاهده خواهد بود.

كشف پوزيترون

وجود پوزيترونها در سال 1307 – 1928 توسط ديراك بطور نظري پيشگويي شد. چهار سال بعد اندرسون (C.D. Anderson) در جريان مطالعاتش روي تابش كيهاني ، پوزيترون را مشاهده و مشخص كرد. كمي ‌بعد از آن بوسيله شتابدهنده‌هاي ذره كه با چند ميليون الكترون ولت كار مي‌‌كردند، زوجهاي الكترون و پوزيترون در آزمايشگاه توليد شدند. امروزه مشاهده زوجهاي الكترون و پوزيترون در برهمكنش فوتونهاي با انرژي بالا و ماده يك پديده عادي به شمار مي‌‌روند. در سالهاي 1334 – 1955 براي نخستين بار زوجهاي پروتون _ پادپروتون و نوترون _ پادنوترون در آزمايشگاه آفريده شدند.

منبع: رشد