AQA A-Level 物理/粒子与反粒子/产生与湮灭 2

产生与湮灭

这是 AQA 物理 A 大纲中 1.4 主题的一部分。该主题主要涵盖粒子与反粒子，以及宇宙中每种粒子都存在对应的反粒子。反物质理论最初由保罗·狄拉克于 1928 年提出，此后已被证明。然而，基本形式的产生和湮灭要么是光子产生粒子与反粒子，要么是粒子与反粒子碰撞产生光子。

产生

事实上，存在许多不同类型的产生；然而，在这个大纲中，只提到了其中一种，即正负电子对产生。在正负电子对产生中，光子会产生一个粒子及其对应的反粒子，并在过程中消失。对于一个静止能量为 E₀ 的粒子及其反粒子，我们可以计算出产生这对粒子 - 反粒子对的光子所需的最小能量和最大频率 f_min。记住，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，电子的静止能量为 0.511 MeV。因此，对于光子产生电子和正电子对

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

因此，能量低于此值的的光子无法产生正电子和电子。

湮灭

湮灭发生在粒子与其对应的反粒子相遇时，它们的质量转化为辐射能量。在这个过程中会产生两个光子（因为单个光子只会带走动量，这是不允许的，因为没有外力作用）。因此，每个光子的最小能量 hfmin 由将两个光子的能量 2hf_min 等于正电子和电子的静止能量（即 2hf_min = 2E₀，其中 E₀ 是电子的静止能量）得到。

每个产生光子的最小能量，hf_min = E₀