A-level 物理 (進階物理)/正負電子對產生與湮滅

正負電子對產生

有時，光子會變成一個粒子及其反粒子，例如電子和正電子。它不能變成只有一個電子，因為這會導致輕子數不平衡。光子必須具有足夠的能量來產生這兩個粒子的質量。產生一個粒子的能量由下式給出

$E=mc^{2}$,

其中 m 是粒子的質量，c 是光速 (3 x 10⁸ ms⁻¹)。然而，必須產生兩個粒子。由於這兩個粒子是彼此的反粒子，所以它們具有相同的質量。因此，所需的總能量為

$E=2mc^{2}$

湮滅

當一個粒子遇到其反粒子時，兩者會相互湮滅，形成 2 個光子（由於動量守恆），總能量相當於兩個粒子的總質量能量。

有時，一對粒子會湮滅，但光子會產生另一對粒子。此外，光子會產生一對粒子，然後相互湮滅。

問題

h = 6.63 x 10⁻³⁴ Js

1. 電子的質量為 9.11 x 10⁻³¹ kg。光子必須具有多少最小能量才能產生電子？

2. 一個 1.1 MeV 的電子與一個 1.1 MeV 的正電子湮滅。產生的光子的總能量是多少？

3. 它的頻率是多少？

4. 它的波長是多少？

5. 新產生的電子-正電子對很可能立即湮滅。在什麼情況下可以避免這種情況？

解答