C) Образование электрон - позитронной пары

Если энергия γ - кванта достаточно велика, то становится возможен процесс образования пары, состоящей из электрона и позитрона (рис. 3).

Этот процесс идет в поле какой-либо частицы, чаще всего в поле ядра. Здесь проявляется квантовая природа явления и объяснить его можно только пользуясь, представлениями релятивисткой квантовой механики Дирака. В 1928г. Полем Дираком было получено квантово-механическое уравнение, описывающее поведение электронов, которое объясняло все известные свойства электронов: в частности, наличие у него спина и магнитного момента. Решая это уравнение, мы приходим к тому, что полная энергия электрона с импульсом Р записывается в виде:

т.е. возможны не только положительные энергии электронов, но и отрицательные. Предположив, что импульс равен нулю, мы видим, что должны существовать 2 области значений энергии, разделенные промежутком в 2m_ес², т.е. для электрона возможны в принципе 2 области – +m_ес²и -m_ес²

Для второй области полная энергия и масса электрона отрицательна, т.е. электрон, находясь в этой области, обладает странными свойствами, он двигается, в сторону противоположную, действующей на него силе. Дирак показал, что если допустить существование положительного электрона, то можно понять вторую отрицательную область: он предположил, что все уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, заняты электронами, образуя равномерный и ненаблюдаемый фон.

Если сообщить электрону энергию больше суммы энергий покоя электрона и позитрона: 2m_ес² =1,022 МэВ, то электрон, перейдя в первую область, будет вести себя как нормальный электрон. В квантовой механике такие переходы не запрещены.

Одновременно, в том месте, откуда ушел электрон, создается дырка, которая будет обладать равными по знаку и противоположным импульсом зарядом, т.е. «дырка» будет вести себя как положительно заряженный электрон, что и должно быть замечено в электрических и магнитных полях.

В 1932г. Андерсен в космических лучах обнаружил позитрон; электрон и позитрон назвали частицей и античастицей, и на них впервые было показано, что законы природы симметричны относительно частиц и античастиц, а также существование антимиров. Рассмотрим процесс, представляющий собой процесс рождения пары.

Можно показать, что закон сохранения энергии импульса нарушается при создании пары одним изолированным фотоном, действительно по закону сохранения энергии