Párová výroba (tvorba elektron–pozitronového páru)

Mechanismus a energetický práh

Nejčastěji popisovaná situace nastává, když se vysoceenergetický foton přiblíží k hmotnému jádru a v jeho Coulombově poli se vytvoří jádro-asistovaný pár elektron–pozitron. Minimální energie fotonu pro vznik páru odpovídá dvojnásobku klidové energie elektronu (2·m_e c^2), tedy přibližně 1,022 MeV. Nad tímto prahem roste pravděpodobnost vzniku páru; její velikost závisí na energii fotonu i na struktuře okolní látky, např. na atomu, v jehož poli k procesu dochází (atomu, elektronu v okolí). Pozitron po ztrátě kinetické energie obvykle anihiluje s elektronem a vznikají dva (nebo více) fotony o charakteristické energii 511 keV.

Závislost na materiálu a energii

Pravděpodobnost párové výroby silně ovlivňuje atomové číslo prostředí: proces je účinnější v polích těžších jader, protože jejich silnější Coulombovo pole snadněji zajistí zachování hybnosti při vzniku páru. Proto se často uvádí, že průřez pro párovou výrobu roste s rostoucím atomovým číslem. Relativní význam párové výroby v interakci fotonů s látkou závisí také na energii: při nízkých energiích dominuje fotoelektrický jev, ve středních energiích převládá Comptonův rozptyl a při vysokých energiích se stává párová výroba hlavním procesem. Prakticky je rozumné rozeznat hranici mezi teoretickým prahem a energií, při které je proces významný pro aplikace; obecně platí, že účinky párové výroby se stávají důležité u fotonových svazků v rozsahu několika MeV a více (viz také vztah k energetickým hladinám a k rentgenovému záření v různých spektrech).

Historie a alternativní kanály

Myšlenka přeměny energie na hmotu byla formalizována v kontextu relativistické kvantové mechaniky a objevení pozitronu v mezních letech 20. století prohloubila porozumění těchto procesů. Kromě procesu v poli jádra existuje i tzv. Breit–Wheelerův mechanismus, kdy se pár vytvoří přímo srážkou dvou fotonů — je to méně běžné v běžných laboratorních podmínkách, ale významné v astrofyzikálních prostředích s velmi vysokými energiemi.

Aplikace a příklady

Párová výroba má praktický význam v několika oblastech: v medicíně ovlivňuje chování vysokoenergetických fotonových svazků v radioterapii a z hlediska bezpečnosti a plánování ozáření je třeba počítat s vytvářením sekundárních částic; ve strukturách detektorů a při navrhování stínění se uvažuje o zvyšujícím se podílu párové výroby s energií a Z materiálu; v nukleární a astrofyzikální oblasti pak proces ovlivňuje transport vysokofrekvenčního gama záření a vznik párů v okolí intenzivních zdrojů záření. V medicínské zobrazovací metodě PET je důsledkem pozorování anihilačních fotonů, i když samotná PET využívá radioaktivní rozpad produkující pozitrony namísto přímo párové výroby fotonem.

Rozlišení od jiných procesů

• Fotoelektrický jev: foton odevzdá energii jednotlivému elektronu a je absorbován — důležitý při nízkých energiích.
• Comptonův rozptyl: foton se rozptyluje na volném nebo vázaném elektronu a přenese mu část energie — dominuje při středních energiích.
• Párová výroba: při dostatečné energii a přítomnosti pole se energie fotonu promění ve dvojici částic — hlavní proces na vysokých energiích.

Pro doplňující čtení nebo technické detaily lze využít odborné zdroje a přehledy o interakci záření s hmotou (ionizace, mechanismy ztráty energie a měření), které rozšiřují poznatky uvedené v tomto článku.

Další odkazy: fyzika, foton, jádro, atomu, elektron, rentgenové záření, ionizace, atomové číslo, energetické hladiny, radioterapie.