質問: 対消滅、対生成について 高校物理の教科書がどうしても理解できず、質問させていただきます。 「質量mの粒子と反粒子は衝突すると合体して消滅する。これを対消滅といい、このとき質量とエネルギーの等価性から2mc^2に等しい光子などのエネルギーに転化し、さらに新たな粒子・反粒子つい生成する。これを対生成という。図は電子と陽電子が衝突して光子に転化した後にクォーク、反クォークを対生成することを示している。」 その図は画像で添付しました。e=mc^2、光子のエネルギー、運動量の式は学習しましたので質量とエネルギーの等価性については疑問点がありません。この文章の内容について質問させていただきます。まずここでいう消滅とは、電子と陽電子の質量がいったん0になることを意味していますか?それから、この文章から見ますと、対消滅と対生成は必ずセットで起こるような印象を受けますが、そういう理解でよろしいですか?対消滅してそのまま電磁波のままの場合や、電磁波が突然対生成するような場合というのはないのでしょうか? ところで教科書では消滅とはっきり言っていますが、相対論的効果で起きるような非日常的な現象がありますので、消滅という現象もはっきりと定義する必要があると思います。初めに電子と陽電子の運動エネルギーがあって、衝突した後に2mc^2のエネルギーの電磁波を出すと教科書に書いてありますが、それは質量がエネルギーに変わっただけで、もともと持っていた運動エネルギーは入っていません。完全に質量が0になり消滅するのであれば、光子に転化されるエネルギーは、2mc^2+(もともとの運動エネルギー)+(静電気力がする仕事)でなければと思うのですが・・・ それから、問題集で、対消滅を取り上げたものがあります。陽電子は電子が対消滅した後、0.51mevのエネルギーを持った2つのγ線が放射され、たまに3つに分かれることもある。みたいな問題文があり、その後、陽電子、電子の運動エネルギーを無視し・・・と書いてあります。問いはそれぞれのγ線のエネルギーについて聞いています。 この「陽電子、電子の運動エネルギーを無視し・・・」という部分に引っかかっています。 運動エネルギーとは対消滅をする前?の運動エネルギーをさしていると思いますが、無視しというのは0と見なすということでしょうか?そうすると衝突する前の2つのエネルギーとは、静電気力による位置エネルギーということでしょうか?問題文では1つ分のγ線のエネルギーを提示しているので、衝突する前のエネルギーがどのようなものかわからなくても問題は解けるのですが、「陽電子、電子の運動エネルギーを無視し・・・」となぜあえて言っているのかが全く分かりません。あえて言っているということは、対消滅とは実際に電子や陽電子は消えるわけではない現象であり、「衝突後に運動エネルギーが0になった場合を想定しなさい」という風にも聞こえます。しかし教科書を読んでも衝突して消えるのか消えないのかということがはっきりしないので、大混乱に陥っております。質問の意味がややこしくてすみませんが、どうかお助けいただけませんでしょうか。
回答: >対消滅と対生成は必ずセットで起こるような印象を受けますが、そういう理解でよろしいですか? 全くの誤解です。対消滅後2本のガンマ線は反対方向に伝搬していき、 各々その後どうなるかはおかれた環境によるでしょう。最終的には物質と衝突を繰り返して 減衰して熱エネルギーに変わります。 対消滅によって発生したガンマ線のエネルギーは0.51mevで これで対生成が起きる確率は極めて小さいでしょう。 対消滅は陽電子を放出するriを持って来れば試験管の中で勝手に起きますが、対生成は大変です。 加速器で加速した荷電粒子をターゲットに衝突させて数mevのガンマ線を作り、 このガンマ線を物質に照射して対生成を起こさせます。 詳細はフォトンファクトリというキーワードで検索してください。 >この「陽電子、電子の運動エネルギーを無視し・・・」という部分に引っかかっています。 陽電子、電子の運動エネルギーを想定している条件下で計算してください。 0.51mevに比べて通常はとるに足らぬ量(kevまたはkev未満)なので無視しているだけの話で 加速器等で加速して無視できない程度の高速になった場合はそれを適宜考慮すればよいということです。 私は添付図を見たとき、ウーンとうなってしまいました。こんな図で今の人は勉強するのですか。 絵の意味していることは解ります。 しかし、この絵は対消滅によって(裸の)クォークが生成する(日常の世界に現れ)という 意味にとれますが多分それは私の誤解なのでしょう。 対消滅は医療(pet)に使われており、極めて現実的でありきたりで有用な現象ですが 発生するガンマ線を計測しているわけです。それがクォークまで?というのが言いたいことです。