دید کلی

• آیا می‌‌توان از انرژی خالص ماده آفرید؟
  
• یا اینکه آیا می‌‌توان انرژی سکون را به انرژی الکترومغناطیسی تبدیل کرد؟
  
  البته لازم به ذکر است که در چنین تبدیلاتی باید قوانین بقای انرژی ، اندازه حرکت و بار الکتریکی نقض نشود.

شرایط اولیه تولید زوج

در بین تمام ذرات شناخته شده ، الکترون دارای کوچکترین جرم سکون غیرصفر است و لذا کمترین انرژی برای تولید آن مورد نیاز است. اما می‌‌دانیم که فوتون ذره‌ای بدون بار است، در حالی که الکترون ذره‌ای باردار است. بنابراین برای اینکه قانون بقای بار الکتریکی نقض نشود، علاوه بر الکترون باید ذره باردار دیگری که بار الکتریکی آن به اندازه بار الکتریکی الکترون با علامت مخالف است، ایجاد شود. این ذره را پوزیترون می‌‌گویند که به آن پادذره الکترون نیز گفته می‌‌شود.

الکترون و پوزیترون به جز از نظر علامت بارها ، از هر نظر دیگری به هم شبیه هستند. بنابراین اگر جرم سکون الکترون و پوزیترون را m_0 بگیریم، کمترین مقدار انرژی فوتون آفرینش یک زوج الکترون و پوزیترون ، با لحاظ کردن قانون بقای انرژی برابر 2m0C² خواهد بود و چون انرژی سکون الکترون یا پوزیترون با لحاظ کردن مقادیر جرم الکترون و سرعت نور برابر 0،51 میلیون الکترون ولت است، لذا کمترین مقدار انرژی فوتون یا به اصطلاح انرژی آستانه برای تولید باید برابر 1،02 میلیون الکترون ولت باشد. بر این اساس زوجهای الکترون فقط به وسیله فوتونهای اشعه گاما یا فوتونهای اشعه ایکس که طول موج خیلی کوتاهی دارند، قابل تولید است.

تولید زوج با انرژیهای بیشتر از انرژی آستانه

اگر انرژی یک فوتون بیشتر از انرژی آستانه برای تولید زوج الکترون و حفره باشد، مازاد انرژی (یعنی تفاضل انرژی فوتون و انرژی آستانه) به صورت انرژی جنبشی زوج آفریده شده ، ظاهر می‌‌شود. این انرژی مجموع انرژی جنبشی الکترون و پوزیترون است.

امکان تولید زوج در فضای تهی

می‌‌توان ثابت کرد که در تولید ذره و پادذره انرژی و اندازه حرکت بطور همزمان نمی‌‌توانند پایسته بمانند، مگر اینکه فوتون در نزدیکی ذره سنگینی ، همچون هسته یک اتم باشند. به بیان دیگر ، پدیده تولید زوج در فضای تهی غیرممکن است. به عنوان مثال ، فرض می‌‌کنیم که در یک فضای تهی ، فوتون ناپدید شده و یک زوج الکترون و حفره آفریده شود.

همچنین فرض کنید که ناظر نسبت به مرکز جرم الکترون و پوزیترون ساکن است. در این صورت اندازه حرکت کل الکترون و پوزیترون نسبت به این ناظر صفر خواهد بود. اما فوتونی که زوج را تولید می‌‌کند، در این چارچوب مرجع دارای اندازه حرکت غیر صفر خواهد بود، چون فوتون در هر چارچوب مرجعی همواره با سرعت C حرکت می‌‌کند. بنابراین باید قبل از برخورد اندازه حرکت فوتون را داشته باشیم، نه اندازه حرکت خالص بعد از برخورد را. بطور خلاصه ، یک فوتون نمی‌‌تواند خودبه‌خود در فضای تهی به یک زوج الکترون _ پوزیترون واپاشیده شود.

آشکارسازی زوج الکترون و پوزیترون

به دلیل اثرهای یونشی که ذرات باردار هنگام حرکت خود در گاز تولید می‌‌کنند، مسیر حرکت آنها قابل روئیت است. حال اگر در این محیط یک میدان مغناطیسی اعمال شود، در این صورت پوزیترون و الکترون به دلیل داشتن بارهای الکتریکی مخالف در قوسهای دایره‌ای با جهتهای مخالف منحرف می‌‌شوند. بنابراین مسیر الکترون و پوزیترون قابل مشاهده خواهد بود.

کشف پوزیترون

وجود پوزیترونها در سال 1307 – 1928 توسط دیراک بطور نظری پیشگویی شد. چهار سال بعد اندرسون (C.D. Anderson) در جریان مطالعاتش روی تابش کیهانی ، پوزیترون را مشاهده و مشخص کرد. کمی ‌بعد از آن بوسیله شتابدهنده‌های ذره که با چند میلیون الکترون ولت کار می‌‌کردند، زوجهای الکترون و پوزیترون در آزمایشگاه تولید شدند. امروزه مشاهده زوجهای الکترون و پوزیترون در برهمکنش فوتونهای با انرژی بالا و ماده یک پدیده عادی به شمار می‌‌روند. در سالهای 1334 – 1955 برای نخستین بار زوجهای پروتون _ پادپروتون و نوترون _ پادنوترون در آزمایشگاه آفریده شدند.

پدیده نابودی زوج

اطلاعات اولیه

یکی از نتایج اصل هم ارزی جرم و انرژی این است که این دو می‌‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. مشاهده تجربی این مسئله در فرایندهای مختلف مانند اثر فوتوالکتریک ، اثر کامپتون ، پدیده تولید زوج و … انجام شده است. در پدیده تولید زوج تابش الکترومغناطیسی در مجاورت یک هسته سنگین به دو ذره الکترون و پوزیترون واپاشیده می‌‌شود، اما پوزیترون نمی‌‌تواند طول عمر زیادی داشته باشد، چون فضا پر از الکترون است، لذا پوزیترون بعد از مدت کوتاهی از تولید شدن با یک الکترون ترکیب شده و از بین می‌‌رود و به جای آن فوتون یا تابش الکترومغناطیسی ایجاد می‌‌شود که به این پدیده نابودی زوج می‌گویند.

شرایط اولیه نابودی زوج

نابودی زوجهای ذره و پادذره و همراه با آن آفرینش فوتونها ، عمل عکس تولید زوج است. نابودی ماده و آفرینش انرژی الکترومغناطیسی را برای حالتی در نظر می‌‌گیریم که الکترون و پوزیترون نزدیک به هم و اساسا ساکن باشند. در آغاز اندازه حرکت خطی کل این دو ذره صفر است، بنابراین وقتی این دو ذره به هم می‌‌پیوندند و نابود می‌‌شوند، یک تک فوتون نمی‌‌تواند آفریده شود، زیرا این عمل باعث نقض قانون بقای اندازه حرکت خطی می‌‌شود، ولی اگر دو فوتون آفریده شوند که با اندازه حرکتهای مساوی و در جهتهای مخالف حرکت کنند، اندازه حرکت خطی می‌‌تواند پایسته بماند.

چنین زوج فوتونهایی دارای فرکانسها و انرژیهای یکسان هستند. در واقع می‌‌توان گفت که سه یا چند فوتون می‌‌توانند آفریده شوند، ولی با احتمال به مراتب کمتر از آفرینش دو فوتون. همین طور ، وقتی چندین زوج الکترون و پوزیترون در نزدیکی یک هسته سنگین نابود می‌‌شوند، تعداد کمی ‌از این نابودیها یک تک فوتون تولید خواهند کرد.

سرنوشت نهایی پوزیترون

سرنوشت نهایی پوزیترونها بعد از تولید در پدیده تولید زوج ، نابودی است. وقتی که یک پوزیترون با انرژی بالا ظاهر می‌‌شود، هنگام عبور از ماده ، در اثر برخوردها ، انرژی جنبشی خود را از دست می‌‌دهد و سرانجام با سرعت پایین حرکت می‌‌کند. آنگاه این پوزیترون با یک الکترون ترکیب می‌‌شود و تشکیل یک دستگاه مقید به نام پوزیترونیوم می‌‌دهد که خیلی سریع (در مدت 10^-10 ثانیه) به دو فوتون با انرژی مساوی واپاشیده می‌‌شود.

از این رو ، مرگ یک پوزیترون با ظهور دو کوانتوم نابودی یا دو فوتون ، که انرژی هریک 0،51 میلیون الکترون ولت است، خبر داده می‌‌شود. قابلیت فنا شدن پوزیترونها به دلیل ناپایداری ذاتی نیست، بلکه به خاطر احتمال زیاد برخورد آنها و نابودیهای بعدی با الکترونهاست.

جهان فرضی

در جهانی که ما در آن زندگی می‌‌کنیم، کثرت تعداد الکترون ، پروتون و نوترون (در حالت کلی ذره) برقرار است، بنابراین زمانی که پادذره‌های این ذرات خلق می‌‌شوند، بلافاصله طی فرایندهایی نابود می‌‌شوند، اما می‌‌توان فرض کرد که بخشی از جهان وجود دارد که در آن تعداد پوزیترون ، پادپروتون ، پادنوترون (در حالت کلی پادذره) زیاد است. هرچند این امر در حال حاضر فقط در حد یک حدس و گمان است.