تولید زوج (Pair Production)؛ وقتی انرژی به ماده تبدیل می‌شود

اگر یک فوتون بسیار پرانرژی با انرژی بیش از ۱.۰۲۲ مگاالکترون‌ولت (MeV) از نزدیکی هسته یک اتم عبور کند، ممکن است یکی از شگفت‌انگیزترین برهم‌کنش‌های فیزیک رخ دهد؛ پدیده‌ای که به آن تولید زوج (Pair Production) گفته می‌شود.

در این فرآیند، انرژی فوتون به اندازه‌ای است که می‌تواند به دو ذره بنیادی تبدیل شود: یک الکترون (e⁻) و یک پوزیترون (e⁺) که پادذره الکترون محسوب می‌شود. این پدیده، تجلی مستقیمی از معادله مشهور انیشتین، E = mc²، است؛ معادله‌ای که نشان می‌دهد انرژی و جرم دو صورت متفاوت از یک کمیت واحد هستند و می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند.

پس از تشکیل، الکترون و پوزیترون در محیط اطراف حرکت کرده و با اتم‌های ماده برهم‌کنش می‌کنند. این ذرات با ایجاد یونش و برانگیختگی در اتم‌ها، بخشی از انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهند و به تدریج کند می‌شوند.

اما سرنوشت پوزیترون متفاوت است. پس از کاهش انرژی، این ذره با یک الکترون معمولی برخورد می‌کند و هر دو در فرآیندی موسوم به نابودی متقابل (Annihilation) از بین می‌روند. در نتیجه این برهم‌کنش، جرم و انرژی آن‌ها به دو فوتون گاما با انرژی ۵۱۱ کیلوالکترون‌ولت (keV) تبدیل می‌شود که تقریباً در دو جهت مخالف یکدیگر منتشر می‌شوند.

بنابراین، در پدیده تولید زوج، انرژی فوتون اولیه به ماده تبدیل می‌شود و در مرحله نابودی متقابل، این ماده دوباره به انرژی تابشی بازمی‌گردد. این چرخه جذاب تبدیل انرژی به ماده و بازگشت مجدد آن به انرژی، یکی از مهم‌ترین مفاهیم فیزیک تابش به شمار می‌رود.

نکته قابل توجه اینکه همین پدیده، مبنای عملکرد دستگاه‌های تصویربرداری PET (Positron Emission Tomography) است. آشکارسازهای این سامانه با ثبت هم‌زمان دو فوتون گامای حاصل از نابودی متقابل، محل انتشار پوزیترون را تعیین کرده و امکان تصویربرداری دقیق از فرآیندهای متابولیکی و عملکردی بدن را فراهم می‌کنند.