2) 1 МэВ
3) 1000 эВ
4) 2 эВ
При аннигиляции электрона и позитрона их масса покоя преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Энергия покоя электрона равна mec2 = 0,511 МэВ, поэтому для пары суммарно высвобождается 1,022 МэВ. Если частицы перед аннигиляцией практически потеряли кинетическую энергию, образуются два γ-кванта, каждый с энергией около 0,511 МэВ, или 511 кэВ.
Рождение именно двух фотонов обеспечивает одновременное выполнение законов сохранения энергии и импульса. Фотоны распространяются почти в противоположных направлениях, а их импульсы равны по модулю и противоположны по направлению. Дополнительная кинетическая энергия сталкивающихся частиц может изменить суммарную энергию и распределение энергии между фотонами, однако в радионуклидной диагностике позитрон обычно сначала тормозится в тканях, поэтому регистрируемое аннигиляционное излучение близко к 511 кэВ.
Это физическое явление лежит в основе позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Детектирование двух квантов с энергией 511 кэВ в режиме временного совпадения позволяет определить линию ответа между противоположными детекторами и реконструировать распределение радиофармпрепарата. Отклонения энергии вследствие комптоновского рассеяния и неколлинеарности учитываются при обработке данных.
| Процесс | Участники и результат | Число фотонов | Энергетический признак | Практическое значение |
|---|---|---|---|---|
| Аннигиляция электрона и позитрона практически в покое | Масса покоя частиц превращается в электромагнитное излучение | 2 | По 511 кэВ на фотон; суммарно 1,022 МэВ | Основной физический принцип ПЭТ |
| Аннигиляция с заметной кинетической энергией | В энергию фотонов переходит масса покоя и кинетическая энергия | Обычно 2 | Суммарная энергия превышает 1,022 МэВ; энергии фотонов могут различаться | Характерна для высокоэнергетических столкновений |
| Парапозитроний | Связанное состояние электрона и позитрона с противоположными спинами | 2 | Два фотона с энергией, близкой к 511 кэВ каждый | Короткоживущий канал аннигиляции в веществе |
| Ортопозитроний | Связанное состояние с параллельными спинами | 3 | Энергия распределяется между тремя фотонами; спектр непрерывный | Менее вероятный для регистрации в стандартном двухфотонном окне ПЭТ |
| Комптоновское рассеяние | Фотон передаёт часть энергии электрону и меняет направление | 1 рассеянный фотон | Энергия становится меньше исходной и зависит от угла рассеяния | Источник рассеянных событий и снижения качества ПЭТ-изображения |
| Рождение электрон-позитронной пары | Гамма-квант превращается в электрон и позитрон в поле ядра | Исходный фотон исчезает; позднее возможны аннигиляционные фотоны | Минимальная энергия фотона — 1,022 МэВ, с учётом передачи импульса ядру | Процесс, обратный аннигиляции, важный для взаимодействия высокоэнергетических фотонов |
Таким образом, энергия 511 кэВ является прямым следствием энергии покоя электрона и позитрона. Два кванта возникают как наиболее вероятный канал аннигиляции пары, находящейся практически в покое. Их противоположное направление распространения отражает сохранение импульса. Регистрация совпадающих квантов такой энергии используется для локализации акта аннигиляции и построения ПЭТ-изображения.