איון של אלקטרון ופוזיטרון

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
Gnome-edit-clear.svg ערך זה זקוק לעריכה: ייתכן שהערך סובל מפגמים טכניים כגון מיעוט קישורים פנימיים, סגנון טעון שיפור או צורך בהגהה, או שיש לעצב אותו.
אתם מוזמנים לסייע ולתקן את הבעיות, אך אנא אל תורידו את ההודעה כל עוד לא תוקן הדף. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה.
דיאגרמת פיינמן של תהליך איון. γ – פוטון (חלקיק קרינת גמא), e+‎ – פוזיטרון, e-‎ – אלקטרון

איון של אלקטרון ופוזיטרון מתרחש כאשר אלקטרון () פוגש את האנטי-חלקיק שלו, הפוזיטרון (). האינטראקציה ביניהם גורמת להשמדה הדדית: המסה שלהם מומרת לאנרגיה, המופיעה בתור שני פוטונים או יותר (קרינת גמא).

איון של אלקטרון ופוזיטרון הוא מקרה פרטי של תהליך האיון המתרחש בכל מפגש בין חומר ואנטי חומר.

הרקע הפיזיקלי[עריכת קוד מקור | עריכה]

בתהליך האיון נשמרים מספר חוקי שימור, ביניהם:

האנרגיה של הפוטונים נובעת ממסת האלקטרון ופוזיטרון, וכן מהאנרגיה הקינטית שהייתה להם. על פי משוואת איינשטיין E=mc², ולכן האנרגיה שנובעת מהמסה היא בדיוק

שהוא בדרך כלל גדול בהרבה מהאנרגיה הקינטית ההתחלתית, ועל כן הוא קירוב טוב לאנרגיה הכוללת של הפוטונים.[1]

ככל שהאנרגיה בתהליך גדולה יותר, כך גם המסה האפשרית של החלקיקים שיווצרו גדולה יותר, על כן כאשר תהליך האיון של אלקטרון ופוזיטרון נעשה באנרגיות נמוכות יווצרו פוטונים ואילו במקרים בהם האיון התרחש באנרגיות גבוהות, יכולים להיווצר גם חלקיקים נוספים בעלי מסה כמו בוזוני W ו-Z.

באנרגיה נמוכה[עריכת קוד מקור | עריכה]

כאשר תהליך ההתנגשות של אלקטרון-פוזיטרון נעשה באנרגיות נמוכות, האפשרות הסבירה ביותר היא שיווצרו פוטונים של קרני גמא. שימור התנע הקווי והאנרגיה שבמערכת אינו מאפשר יצירה של פוטון יחיד ועל כן יווצרו לפחות שני פוטונים. עם זאת, כלל זה אינו בהכרח תקף במקרה של אלקטרון הקשור בחוזקה לאטום.

במקרה הנפוץ ביותר יווצרו שני פוטונים, שלכל אחד מהם אנרגיית המנוחה של אלקטרון (והפוזיטרון; 0.511MeV). כאשר נתבונן בהתנגשות זאת במערכת ייחוס בה התנע הקווי הכולל מתאפס לפני האיון, כלומר מערכת בה מרכז המסה נמצא במנוחה, קרני הגמא שיתקבלו יהיו מכוונות לכיוונים מנוגדים (כלומר, הזווית ביניהם תהיה זווית שטוחה, בת 180 מעלות).

יצירתם של שלושה פוטונים נפוצה גם כן, כיוון שבמצבים מסוימים של תנע זוויתי, הדבר הכרחי על מנת לשמר את המטען הכולל. כמו כן, אפשרי ליצור מספר גדול יותר של קרני גמא, אך כיוון שהתהליך מורכב יותר, ההסתברות לכך קטנה עם כל פוטון נוסף.

באנרגיה גבוהה[עריכת קוד מקור | עריכה]

כאשר תהליך ההתנגשות מתרחש באנרגיות גבוהות, כלומר לאלקטרון, לפוזיטרון או לשניהם יש אנרגיה קינטית הניתנת להערכה, עשויים להיווצר חלקיקים כבדים יותר מאשר פוטונים, מאחר שיש מספיק אנרגיה קינטית במהירויות היחסיות על מנת לספק את מסת המנוחה של חלקיקים אלה. לחלופין, ניתן ליצור פוטונים אשר יופיעו עם אנרגיות גבוהות יותר.

באנרגיות הקרובות למסת המובילים של הכוח החלש (הבוזונים W ו Z) או גבוהות ממנה, ניתן להשוות את חוזק הכוח החלש ואת הכוח האלקטרומגנטי. כתוצאה מכך, נעשה קל יותר ליצור חלקיקים כמו ניטרינו, אשר מגיבים באופן חלש בלבד אחד עם השני. זוגות החלקיקים הכבדים שביותר שנוצרו עד עכשיו על ידי איון אלקטרון ופוזיטרון במאיץ חלקיקים הם הזוגות ו-. החלקיק הבודד הגבוה ביותר הוא הבוזון Z.

לאור זאת יש הרוצים[דרוש מקור: מי?] ליצור מאיץ חלקיקים שיפעל באנרגיות גבוהות בהרבה, כך שאנרגיית ההתנגשות תהיה בסדר הגודל של בוזון ההיגס. בוזון היגס הוא חלקיק יסודי במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. בוזון ההיגס ושדה ההיגס שהוא יוצר מספקים השערה הניתנת לאישוש למקור המסה בחלקיקי היסוד.

בעבר נערכו ניסויים ליצירת הבוזונים במאיץ ה-LEP (באנגלית: Large Electron Positron Collider) שבמרכז המחקר CERN, אך כשהבינו שאין אפשרות למצוא בעזרתו את בוזון ההיגס כיוון שהאנרגיות בו פעול נמוכות מדי, המתקן עבר הסבה ל-LHC (באנגלית: Large Hadron Collider).

ישומיים של התהליך[עריכת קוד מקור | עריכה]

טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים

תהליך האיון של אלקטרון ופוזיטרון הוא הבסיס לסריקה רפואית הנקראת טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (באנגלית: Positron Emission Tomography, ובראשי תיבות: PET). בסריקה זו, מוכנס לגוף הנבדק חומר רדיואקטיבי הפולט פוזיטרונים (בדעיכת בטא). החומר מוכנס לגוף על גבי מולקולה פעילה ביולוגית כך שהחומר יגיע לרקמות. כאשר הפוזיטרונים הנפלטים מהחומר מתאיינים עם האלקטרונים שברקמות, נפלטים פוטונים שגלאי הסריקה יכול לזהות. על ידי כך ניתן לשחזר את מקום ההתנגשות ולבנות תמונות תלת-ממדיות של ריכוז החומר הרדיואקטיבי בתוך הגוף.

סריקות PET משמשות במקרים רבים (בכ-90% מהסריקות) לדמת את ריכוז הגלוקוז ברקמות הגוף, מידע המאפשר לזהות גידולים וגרורות סרטניות, ולאבחן מחלות מוח.

ספקטרוסקופיית איון פוזיטרונים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניתן להשתמש באיון פוזיטרונים ואלקטרונים גם כדי לחקור חומרים מוצקים, בשיטה הנקראת ספקטרוסקופיית איון פוזיטרונים (באנגלית: Positron Annihilation Spectroscopy), בעיקר לשם מדידת המבנה הפנימי שלהם.[2]

יצירת זוג[עריכת קוד מקור | עריכה]

תהליך יצירת הזוגות אלקטרון ופוזיטרון

בתנאים מסוימים קיים תהליך הפוך לאיון, ובו פוטונים הופכים לזוג אלקטרון ופוזיטרון, בתהליך הנקרא יצירת זוג. בתהליך זה, חלק מאנרגיית הפוטונים הופכת למסת החלקיקים. על מנת שתהליך זה יתרחש, על אנרגיית הפוטונים להיות גבוהה מסכום מסות המנוחה של האלקטרון והפוזיטרון, ועל הפוטון להימצא בקרבת גרעין אטומי.

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ יגאל גלילי, דני עובדיה, קרינה וחומר – מבוא לפיסיקה מודרנית, יש!!! הפצה, 2008
  2. ^ "Gamma-Rays". אתר "תנודע". 8 ביוני 2016. בדיקה אחרונה ב-23 במאי 2017.