Discuta brevemente como os raios-
são produzidos e como eles podem ser usados desencadear o mecanismo de produção do par elétron-pósitron.
Passo 1
O enunciado pede para entendermos dois tópicos de física de altas energias: (1) como são produzidos os raios-
(fotões de muito alta energia) e (2) como esses fotões podem gerar o par elétron–pósitron. Para isso vamos recorrer a processos de emissão nuclear e à conversão de energia de um único fóton em massa, respeitando conservação de energia e momento.
Passo 2
Produção de raios-
:
Quando um núcleo atômico excitado passa a um estado de menor energia, a diferença de energia é emitida na forma de um fóton de alta frequência, o fóton . Em linguagem mais técnica, temos uma transição nuclear de energia
, e o fóton
leva energia
Quando um núcleo atômico excitado passa a um estado de menor energia, a diferença de energia é emitida na forma de um fóton de alta frequência, o fóton
Outros meios de gerar raios-
incluem
- aniquilação elétron–pósitron, em que dois fótons
de energia surgem quando um elétron encontra seu antipartícula, - bremsstrahlung de elétrons de alta energia ao serem freados em um alvo pesado, e
- espalhamento inverso de Compton (electrons rápidos colidem com fótons de baixa energia, elevando-os à faixa
).
Passo 3
Mecanismo de produção do par elétron–pósitron:
Um único fóton não pode, isoladamente no vácuo, converter-se em um par
porque não seria possível conservar simultaneamente energia e momento. Porém, na presença de um campo externo (tipicamente o campo Coulômbico de um núcleo pesado), o núcleo absorve o momento excedente e viabiliza a reação. O requisito de energia mínima é
Um único fóton
Nesse processo, o fóton some e surgem um elétron e um pósitron, enquanto o núcleo costuma receber um pequeno recoil para garantir conservação de momento. A seção de choque desse processo cresce com o número atômico
do material usado como “alvo” (porque quanto maior o campo Coulômbico, mais provável a emissão do par).
Resposta
Raios-
são produzidos principalmente em transições nucleares, na aniquilação
e em bremsstrahlung de elétrons energéticos. Para gerar um par elétron–pósitron, um fóton
com energia
deve interagir no campo de um núcleo (ou de um átomo), que absorve o momento extra e permite a criação simultânea de um elétron e de um pósitron.