AQA A-Level 物理/粒子與反粒子/產生與湮滅 2

產生與湮滅

這是 AQA 物理 A 大綱中 1.4 主題的一部分。該主題主要涵蓋粒子與反粒子，以及宇宙中每種粒子都存在對應的反粒子。反物質理論最初由保羅·狄拉克於 1928 年提出，此後已被證明。然而，基本形式的產生和湮滅要麼是光子產生粒子與反粒子，要麼是粒子與反粒子碰撞產生光子。

產生

事實上，存在許多不同型別的產生；然而，在這個大綱中，只提到了其中一種，即正負電子對產生。在正負電子對產生中，光子會產生一個粒子及其對應的反粒子，並在過程中消失。對於一個靜止能量為 E₀ 的粒子及其反粒子，我們可以計算出產生這對粒子 - 反粒子對的光子所需的最小能量和最大頻率 f_min。記住，c 是真空中的光速（3.0 x 10^8ms^-1）。

所需光子的最小能量 = hf_min = 2 E₀

例如，電子的靜止能量為 0.511 MeV。因此，對於光子產生電子和正電子對

最小能量 = 2 x 0.511 MeV = 1.022 MeV = 1.64 x10^-13 J

因此，能量低於此值的的光子無法產生正電子和電子。

湮滅

湮滅發生在粒子與其對應的反粒子相遇時，它們的質量轉化為輻射能量。在這個過程中會產生兩個光子（因為單個光子只會帶走動量，這是不允許的，因為沒有外力作用）。因此，每個光子的最小能量 hfmin 由將兩個光子的能量 2hf_min 等於正電子和電子的靜止能量（即 2hf_min = 2E₀，其中 E₀ 是電子的靜止能量）得到。

每個產生光子的最小能量，hf_min = E₀