Paarbildung und Paarvernichtung

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir machen weiter mit der Atomphysik und wollen uns heute mal die Paarbildung und Paarvernichtung genauer ansehen. Wir lernen heute was Paarbildung bzw. Paarvernichtung eigentlich ist, was Antiteilchen sind, wie so eine Paarvernichtung eigentlich abläuft und wie so eine Paarbildung eigentlich zustande kommen kann. So, dann wollen wir mal wieder. Was ist eigentlich Paarbildung bzw. Paarvernichtung? Ich werde die beiden übrigens, wenn der Platz knapp ist, auch manchmal mit PB bzw. PV abkürzen. Als Paarbildung bezeichnet man den Vorgang, bei dem Photonen mit genügend hoher Energie ein Teilchen/Antiteilchen-paar erzeugen können. Die Paarvernichtung, die man übrigens auch Annihilation nennt (das kommt aus dem Lateinischen und bedeutet Vernichtung), ist ungefähr der umgekehrte Vorgang. Bei einer Paarvernichtung zerstrahlt ein Teilchen/Antiteilchen-paar zu 2-3 Photonen. Ihr seht also, bei der Paarbildung wird Energie zu Materie, während bei der Paarvernichtung Materie zu Energie wird. Beide Vorgänge werden nach der gleichen Formel berechnet. Es ist Einsteins berühmtes E=m×c². Aber auch, wenn ihr die Formel schon kennt und im Prinzip verstanden habt, was passiert, habt ihr wahrscheinlich bis jetzt noch nichts von Antiteilchen gehört. Was sind denn die bitteschön? Alle Elementarteilchen existieren in 2 Versionen. Wir kennen bis jetzt die normale Version, zum Beispiel das Proton, das Neutron, das Elektron. Aber es gibt auch das sogenannte Antiteilchen dazu, also das Antiproton, das Antineutron und das Positron, das ihr bereits kennt. Das Positron, das 1932 als erstes Antiteilchen entdeckt wurde, wird einfach durch ein e+ statt eines e- symbolisiert. Alle anderen Antiteilchen, also auch das Antiproton und das Antineutron, die 1955 und 1956 entdeckt wurden, werden einfach durch einen Strich über dem Symbol gekennzeichnet. Jetzt denkt ihr euch vielleicht, wenn ich zu jedem Elementarteilchen ein Gegenteil habe, dann kann ich mir ja ganze Antiatome aufbauen. Und ihr habt recht. Aus Antiteilchen aufgebaute Materie ist auf der Erde schon hergestellt worden und man nennt sie Antimaterie, ein Begriff, den ihr bestimmt schon in Science-Fiction-Filmen oder -Büchern gehört habt. Um euch genau zu erklären, wodurch sich Teilchen und ihre Antiteilchen unterscheiden, müsste ich relativ tief in die Quantenphysik abtauchen. Da das euch aber noch nicht zu interessieren braucht (wenn es euch interessiert, könnt ihr euch gerne die Filme über Quantenzahlen für die Oberstufe ansehen), reicht euch eigentlich auch schon folgende Erklärung: In manchen Eigenschaften sind das Teilchen und sein Antiteilchen exakt gleich. Man nennt diese Eigenschaften nicht-additive Quantenzahlen, sobald man Quantenphysik macht. Das sind unter anderem die Masse, das magnetische Moment, der Spin, die Lebensdauer. In allen anderen Eigenschaften, die man die additiven Quantenzahlen nennt, sind die beiden jedoch genau entgegengesetzt. Zum Beispiel, wenn ihr an das Elektron-Positron-Paar denkt, die Ladung. So, jetzt wo wir wissen, was ein Antiteilchen ist, wollen wir uns doch mal die Paarvernichtung genauer ansehen. Normalerweise entstehen bei einer Paarvernichtung 2 Photonen. Der Winkel zwischen diesen beiden Photonen hängt vom Gesamtimpuls des Systems ab. Hat das System den Gesamtimpuls 0, also fliegen das Positron und das Elektron, in unserer Animation links, mit gleicher Geschwindigkeit direkt aufeinander zu, dann wird man 2 Photonen erhalten, die im 180°-Winkel voneinander wegfliegen. Ist jedoch eines unserer beiden Teilchen deutlich schneller als das andere, wird sich auch der Winkel zwischen den beiden Photonen deutlich verändern. Wenn ihr Probleme habt zu verstehen, warum das so ist, dann empfehle ich euch, die Videos über Impulserhaltung im Mechanikbereich anzusehen. Denn das funktioniert hier im Kleinen ganz genauso wie dort im Großen. Wie vorhin schon angemerkt, können hierbei auch 3 Photonen entstehen. Das geht allerdings nur, wenn das Elektron und das Positron sich zu einem sogenannten Positronium, das heißt, einem Atom aus Elektron und Positron, zusammenschließen. Um zu erklären, warum dann 3 Photonen entstehen, müsste ich wieder tief in die Quantenphysik-Trickkiste greifen. Es sei hier also nur der Vollständigkeit halber angemerkt: Es können auch 3 sein. Die zusammengerechnete Energie der erzeugten Photonen muss natürlich genauso groß sein, wie die Bewegungsenergie + die über E=m×c² berechnete Ruheenergie der beiden Teilchen. Soweit, so gut. Dann wollen wir doch mal weiter zur Paarbildung. Ein Photon mit genügend hoher Energie kann also ein Teilchen/Antiteilchen-paar erzeugen, indem es mit einem anderen Photon wechselwirkt, wie man links in der Animation sehen kann. Es ist aber genauso möglich, dass ein Photon mit dem elektrischen Feld eines Atomkerns wechselwirkt und dabei ein Elektron-Positron-Paar erzeugt. Auch hierzu habe ich euch eine Animation gemacht. Links seht ihr, wie ein Photon auf einen Wasserstoffkern zufliegt, dort vernichtet wird und ein Elektron-Positron-Paar entsteht. Auch in diesen beiden Beispielen habe ich wieder das Elektron und das Positron verwendet, da es das häufigste und am leichtesten herzustellende Teilchen/Antiteilchen-paar ist. Und genau wie bei der Paarvernichtung, muss natürlich auch hier das entstehende Teilchen/Antiteilchen-paar nicht genau im 180°-Winkel auseinander fliegen. Die überschüssige Energie wird als Bewegungsenergie an das erzeugte Paar abgegeben. Aber die Energie muss natürlich mindestens die Ruheenergie der beiden Teilchen betragen, sonst kann überhaupt keine Paarbildung stattfinden. So, dann wollen wir noch mal zusammenfassen, was wir heute gelernt haben: Bei einer Paarbildung bzw. Paarvernichtung wird Energie zu Masse bzw. Masse zu Energie. Antiteilchen sind die "Gegenteilchen" der normal vorkommenden Elementarteilchen. Bei einer Paarvernichtung zerstrahlt ein Teilchen/Antiteilchen-paar zu 2-3 Photonen. Bei einer Paarbildung wird ein Teilchen/Antiteilchen-paar erzeugt, entweder durch eine Photon-Photon-Wechselwirkung oder durch eine Photon-Atomkern-Wechselwirkung.   So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Bis zum nächsten Mal. Danke fürs Zuschauen, Euer Kalle