Parituotanto (parinmuodostus) – fotonin ja ytimen vuorovaikutus
Parituotanto (parinmuodostus): fotonin ja ytimen vuorovaikutus, elektronin ja positronin synnyn mekanismi, energiaraja, atomiluvun vaikutus ja merkitys sädehoidossa.
Fysiikassa parituotanto tarkoittaa sitä, mitä tapahtuu, kun fotoni vuorovaikuttaa atomin ytimen kanssa eikä elektronin kanssa, kuten alemman tason röntgenvuorovaikutuksissa. Tällöin fotonin energia muutetaan kokonaan kahdeksi lepomassaa omaavaksi hiukkaseksi: elektroniksi ja positroniksi (elektronin vastinhiukkanen). Ilmiö tapahtuu yleensä atomin Coulomb-kentässä, eli ydin ottaa vastaan tarvittavan liikemäärän kompensoimiseksi.
Mekaniikka ja energia
Parituotannon perusedellytys on, että saapuvan fotonin energia on vähintään kahden elektronin lepomassan suuruinen, eli vähintään noin 1.022 MeV:n. Käytännössä fotonin energia jakautuu seuraavasti: kaksinkertainen lepomassa 2m_ec^2 + positronin ja elektronin liike-energia sekä pieni määrä ydimen tai sidoksissa olevan elektronin vastaanottamaa liikemäärää (recoil). Fotoni voi tuottaa parin pääsääntöisesti ytimen kentässä (ydin ottaa recoilin) tai joissain tapauksissa elektronin kentässä — jälkimmäistä kutsutaan triplet-parituotannoksi ja sen kynnysenergia on korkeampi.
Parituotannon todennäköisyys (risteysala) kasvaa fotonin energian kasvaessa ja riippuu voimakkaasti aineen atomiluvusta (Z); korkeammissa Z-arvoissa prosessi on todennäköisempi (riippuvuus on suurilla energioilla likimain verrannollinen Z^2). Tarkka energiajakauma ja kulmat riippuvat kinematiikasta: tuotetut hiukkaset voivat saada erisuuruisia kineettisiä energioita ja poikkeutuskulmat vaihtelevat.
Positronin kohtalo ja annihilaatio
Positroni pysähtyy aineessa menettäen energiaansa törmäyksissä ja ionisoimalla ympäröivää ainetta (ionisoituu), kunnes se lopulta kohtaa vapaan tai sidotun elektronin. Tällöin tapahtuu annihilaatio: useimmiten syntyy kaksi keskenään lähes vastakkaissuuntaista fotonia, kummankin energia on noin 511 keV (elektronin lepomassa). Annihilaatiofotoneiden suunta ja pienet Doppler-siirtymät sisältävät tietoa esimerkiksi positronin ja elektronin alkuperäisistä liike-energioista.
Sovelluksia ja merkitys
- Säteilyfysiikassa ja sädehoidossa: parituotanto alkaa periaatteessa heti 1.022 MeV:stä, mutta kliinisesti merkittäväksi se tulee usein yli ~10 MeV fotoneilla. Korkeaenergiset säteilylähteet (esim. lineaariset kiihdyttimet, joiden fotonien energia voi olla 6–18 MV tai suurempi) voivat tuottaa parituotantoa ja siten positroneja ja 511 keV annihilaatiofotoneita, mikä on tärkeää säteilyannoksen ja suojauksen kannalta.
- Fysiikassa ja kosmisten säteiden tutkimuksessa: parituotanto on keskeinen prosessi korkeaenergisessä fotoni-interaktiossa eri ympäristöissä.
- Teknisesti ja tutkittaessa hiukkasreaktioita: parituotanto on yksi kolmesta pääasiallisesta fotonien vuorovaikutustavasta aineen kanssa muiden ollessa valosähköinen ilmiö ja Comptonin sironta. Kunkin prosessin suhteellinen merkitys riippuu fotonin energiasta ja materiaalin atomiluvusta.
Lisäksi parituotannon periaatteita laajennetaan korkeammilla energioilla muihin parien muodostuksiin, kuten muoni–antimuonipareihin, mutta niiden kynnysenergiat ovat paljon suuremmat kuin elektronin ja positronin tapauksessa.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on parituotanto fysiikassa?
V: Parituotannolla tarkoitetaan fotonin ja atomin ytimen välistä vuorovaikutusta, jonka tuloksena syntyy pari positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita elektroneja.
K: Missä atomissa tapahtuu parituotantoa?
V: Parituotanto tapahtuu atomin ytimessä eikä elektronin kanssa, kuten alemman tason röntgensäteilyvuorovaikutuksissa.
K: Mitä fotonille tapahtuu parituotannossa?
V: Parituotannossa fotoni antaa energiansa ytimelle ja luo elektroniparin.
K: Miten parituotannossa syntyvät elektronit varautuvat?
V: Parituotannossa syntyvät elektronit koostuvat yhdestä positiivisesti varautuneesta elektronista (positroni) ja yhdestä negatiivisesti varautuneesta elektronista.
K: Mikä vaikuttaa parituotannon todennäköisyyteen?
V: Parinmuodostuksen todennäköisyys on verrannollinen saapuvan fotonin energiaan, ja siihen vaikuttaa materiaalin atomiluku.
K: Millä energiatasoilla parituotanto yleensä tapahtuu?
V: Parituotanto tapahtuu tyypillisesti yli 25 MeV:n energiatasoilla.
K: Milloin parituotantoa voi esiintyä sädehoidossa?
V: Parituotantoa voi esiintyä sädehoidoissa, joissa käytetään suurienergisiä fotonisäteitä.
Etsiä