2) процесс рождения фотоном электрона и позитрона в кулоновском поле ядра или электрона
3) процесс, при котором частица и соответствующая ей античастица превращаются в фотоны или другие частицы (+)
4) освобождение электронов, находящихся в веществе под действием коротковолнового электромагнитного излучения
Аннигиляция — это процесс взаимного превращения частицы и соответствующей античастицы в другие кванты или частицы при соблюдении законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда и других квантовых характеристик. Наиболее важный для медицинской физики пример — взаимодействие электрона и позитрона, при котором их массы покоя преобразуются главным образом в энергию электромагнитного излучения.
Если электрон и позитрон аннигилируют после практически полной потери кинетической энергии, обычно образуются два гамма-кванта с энергией по 511 кэВ каждый. Фотоны разлетаются почти в противоположных направлениях, что обеспечивает регистрацию события совпадений в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Именно поэтому аннигиляция лежит в основе формирования диагностического сигнала при исследовании распределения радиофармпрепарата.
Аннигиляцию необходимо отличать от процессов взаимодействия фотонов с веществом. При комптоновском рассеянии фотон передаёт часть энергии электрону и изменяет направление движения, при рождении пар высокоэнергетический фотон превращается в электрон и позитрон, а при фотоэффекте фотон поглощается с выбиванием связанного электрона. Следовательно, определяющим признаком аннигиляции является исчезновение частицы и античастицы с образованием новых квантов или частиц.
| Процесс | Участвующие объекты | Основной результат | Значение в медицинской физике |
|---|---|---|---|
| Аннигиляция | Электрон и позитрон | Обычно два гамма-кванта по 511 кэВ | Физическая основа ПЭТ и регистрации совпадений |
| Комптоновское рассеяние | Фотон и свободный или слабосвязанный электрон | Фотон рассеивается, его энергия и частота уменьшаются | Формирует рассеянный фон и снижает контраст рентгеновских и гамма-изображений |
| Рождение электрон-позитронной пары | Фотон в кулоновском поле ядра или электрона | Появляются электрон и позитрон; энергия фотона расходуется на их массу и движение | Возможно при энергии фотона не менее 1,022 МэВ с учётом кинематических условий |
| Фотоэлектрическое поглощение | Фотон и связанный электрон атома | Фотон полностью поглощается, электрон покидает оболочку | Повышает тканевой контраст, особенно при низких энергиях и использовании высокоатомных материалов |
| Образование аннигиляционных фотонов | Позитрон после замедления в ткани и электрон среды | Два фотона движутся почти в противоположных направлениях | Позволяет локализовать место распада радионуклида методом совпадений |
| Другие каналы аннигиляции | Частицы и античастицы при высоких энергиях | Могут образовываться мезоны, лептоны и другие частицы | Имеют значение преимущественно в физике высоких энергий, а не в стандартной ПЭТ |
В организме позитрон обычно сначала теряет кинетическую энергию при взаимодействии с тканью, а затем аннигилирует с электроном. Энергия 511 кэВ соответствует энергии покоя электрона или позитрона и является ключевым диагностическим признаком аннигиляционного излучения. В ПЭТ регистрируют два фотона, пришедших к противоположным детекторам практически одновременно, что позволяет построить линию ответа и реконструировать распределение радиофармпрепарата. Отклонение от идеальной противоположности лучей и рассеяние фотонов учитываются при коррекции и повышении точности изображения.