Paarbildung
Synonym: Paarerzeugung
Englisch: pair production
Definition
Paarbildung bezeichnet in der Physik die Umwandlung von Energie in ein Teilchen-Antiteilchen-Paar. Im Zusammenhang mit der Wechselwirkung von Photonen mit Materie ist damit meist die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares aus einem hochenergetischen Photon gemeint.
Der Umkehrprozess der Paarbildung ist die Annihilierung.
Hintergrund
Die Paarbildung tritt auf, wenn ein energiereiches Photon mit dem Coulomb-Feld eines Atomkerns wechselwirkt. Dabei wird das Photon vollständig absorbiert und seine Energie wird in die Masse und kinetische Energie eines Elektrons und eines Positrons umgewandelt. Für die Bildung eines Elektron-Positron-Paares muss das einfallende Photon mindestens die Ruheenergie der beiden Teilchen bereitstellen. Die Ruheenergie eines Elektrons beträgt:
- E = Energie
- me = Elektronenmasse
- c = Lichtgeschwindigkeit
Photonen mit geringerer Energie können keine Paarbildung auslösen. Überschreitet die Photonenergie diesen Schwellenwert, erscheint die überschüssige Energie als kinetische Energie der erzeugten Teilchen. Der Atomkern ist für den Prozess notwendig, da er den Impuls aufnehmen kann und so Energie- und Impulserhaltung ermöglicht.
Die Wahrscheinlichkeit der Paarbildung steigt
- mit zunehmender Photonenergie
- mit steigender Ordnungszahl des absorbierenden Materials (ungefähr proportional zu Z2)
Bedeutung in der Strahlenphysik
Paarbildung ist ein wichtiger Wechselwirkungsmechanismus hochenergetischer Photonen mit Materie. Sie spielt vor allem bei Photonenergien im MeV-Bereich eine Rolle. In der diagnostischen Radiologie hat der Prozess keine praktische Bedeutung, da die verwendeten Photonenergien typischerweise unter 150 keV liegen und damit deutlich unterhalb der Schwellenenergie der Paarbildung. In der Strahlentherapie mit hochenergetischen Photonenstrahlen (mehrere MeV) trägt die Paarbildung jedoch wesentlich zur Schwächung der Strahlung in Materie bei.
Das bei der Paarbildung entstehende Positron ist instabil und annihiliert nach kurzer Zeit mit einem Elektron. Dabei entstehen zwei Photonen mit jeweils 511 keV Energie, die in entgegengesetzte Richtungen emittiert werden. Dieser Prozess bildet die physikalische Grundlage der Positronen-Emissions-Tomographie (PET).
