湮沒(核能術語)

湮沒，即堙滅，是指當物質和它的反物質相遇時，會發生完全的物質-能量轉換，轉為能量（如以光子的形式）的過程，又稱互毀、相消、對消滅。

基本介紹

• 中文名：湮沒
• 外文名：annihilation
• 別稱：堙滅

簡介

湮滅（英語：annihilation）是指當物質和它的反物質相遇時，會發生完全的物質-能量轉換，轉為能量（如以光子的形式）的過程，又稱互毀、相消、對消滅。

其遵守愛因斯坦的質能關係式E=mc²。其中E為湮滅產生能量，m為參與的正物質和反物質湮滅前總靜止質量，c為光速≈3x10⁸米/秒。舉例來說，二分之一克反物質湮滅所產生的能量大約與廣島市核子彈爆炸所產生的能量相當（即是一克反物質湮滅所產生的能量約為20-30千噸TNT當量，或者是大約200億千卡）。

一個正電子和一個電子碰撞後湮滅，通過光子的形式釋放能量，這一過程仍然滿足電荷守恆定律，因為湮滅前後電荷總和保持為零。

電子對湮滅

電子對湮滅是指電子e⁻和正子e⁺（電子的反粒子）碰撞後湮滅，產生伽馬射線或是其他更高能量粒子的過程：

e⁻+ e⁺→ γ + γ

此過程滿足以下的守恆定律：

• 電荷守恆定律，反應前後的總電荷均為零。
• 動量及能量守恆，因此不允許產生單一個伽馬射線。
• 角動量守恆。

和其他有帶電的粒子一樣，電子和正子也可以彼此影響（例如彈性散射）而不湮滅。

低能量的情形

最終狀態只有幾種可能，機率最大的是產生二個或多個伽馬射線的光子，由於動量守恆及能量守恆的限制，不允許產生單一光子。（不過若電子是緊密被原子束縛，就有可能只產生單一光子。）最常見的是產生二個光子，每個光子的能量都等於電子或是正子的不變質量511keV。一般會選用動量中心繫為參考系，使得湮滅前的總動量為零，因此湮滅後的伽馬射線會往相反方向發射。有時也會產生三個光子，因為在某些角動量的狀態下，需要維持電荷宇稱的守恆。以機率上來看有可能產生任意數量的光子，但每多產生一個光子，其機率都再低一些，因為其過程更加複雜，機率幅也越低。

由於中微子的質量較電子小，因此有可能在湮滅後產生中微子－反中微子對，但其可能性極低。只要某個粒子和電子一起參與某種基本相互作用，又沒有受到守恆定律的限制，都可能在電子對湮滅後產生此粒子，只是尚未找到其他的粒子有這樣的特性。

高能量的情形

若電子或正子有相當的動能，會可能產生其他較重的的粒子（像D介子），也有可能會產生光子及其他較輕的粒子，不過要更高的能量下才會發生。

若能量接近甚至超過弱相互作用介子（W及Z玻色子）的質量，弱相互作用力的強度接近電磁力的強度，因此比較容易產生像中微子等只參與弱互動作用的粒子。

利用粒子加速器進行電子對湮滅，所產生的最重粒子對是W⁺–W⁻粒子對，所產生的單一粒子是Z玻色子。建造國際直線對撞機的目的也是想用此方式產生希格斯玻色子。

用途

電子對湮滅是正電子發射計算機斷層掃描（PET）及正子湮滅能譜學（PAS）的物理基礎。電子對湮滅也可以用來量測金屬中費米面及能帶結構。

逆過程

電子對湮滅的逆過程是電子－正電子產生，是一種成對產生，由雙光子物理學的一部分。

相關條目

• 湮滅
• 成對產生
• 巴巴散射
• 粒子列表