Откуда берутся гамма-фотоны?

Стоя в озере, я могу создать рябь на воде, двигая рукой. Но этой волны не было в воде до того, как я это сделал, и уж точно не было в моей руке .

Так откуда взялась пульсация? Можно сказать, что он образовался в результате взаимодействия моей руки с водой. На несколько более глубоком уровне оно было создано из энергии мышц, которые двигали моей рукой, которая исходила от пищи, которую я ел раньше.

Тот же принцип действует и для гамма-излучения атомного ядра. Заряды в ядре создают рябь в электромагнитном поле, но эта рябь не была «внутри» ядра заранее. Однако энергия, использованная для их создания, была.

Такое мышление необходимо, чтобы понять больше, чем просто фотоны гамма-излучения. Например, при бета-распаде нейтрон превращается и в протон, и в электрон, и в нейтрино. Ни один из этих трех объектов изначально не находился «внутри» нейтрона. (Чтобы проверить это, мы столкнули частицы вместе.) Вместо этого следует думать о нейтроне как о ряби в квантовом поле, которое создает рябь в других квантовых полях, подобно тому, как рука создает волны в воде.

«Фотон, появляющийся из ниоткуда»

Формулировка предполагает, что вы ожидаете, что некоторые свойства сохранятся , то есть не изменятся с течением времени. И действительно, многие физические величины действительно сохраняются. Частица, появившаяся из ниоткуда, определенно нарушила бы это. Давайте рассмотрим некоторые из этих сохраняющихся величин: энергия, импульс, электрический заряд.

У фотона определенно есть энергия, но ваш гамма-фотон был создан ядерным процессом. Это буквально ядерная энергия; исходное ядро ​​атома имело более высокую энергию, чем образовавшееся ядро.

У фотона тоже есть импульс. В отличие от энергии импульс является вектором. Вы увидите, как получившееся ядро ​​отскакивает после испускания гамма-фотона — оно получает изменение импульса в противоположном направлении. Общий импульс еще сохраняется; два импульса в сумме дают ровно ноль.

Наконец, электрический заряд — самый простой из всех: фотон просто не имеет электрического заряда, так что это еще одна сохраняющаяся величина.

Есть более сохраняющиеся величины, но, в конце концов, вывод прост: фотон — это просто частица с несколькими свойствами, и все эти индивидуальные свойства можно объяснить.

Фотоны создаются зарядами, меняющими орбитальное состояние или ускоряющимися. В атоме это может означать, что электроны совершают переход между энергетическими уровнями (и именно здесь возникает большая часть видимого света и даже рентгеновские лучи). Это также может означать, что протоны в ядре совершили переход между энергетическими уровнями и этот процесс производит гамма-лучи.

Ядра очень тесно связаны, все заряды близки друг к другу, поэтому энергетические уровни выше, чем у электронов атома. Чтобы потревожить ядро, обычно требуется событие ядерного распада или столкновения с очень высокой энергией (например, производимые ускорителем частиц). Уровни ядерной энергии дают предсказуемый набор линий спектра, точно так же, как это делают атомные (электронные орбитальные) энергетические уровни. Таким образом, после того, как произойдет ядерное возмущение, ядро ​​(или дочерние ядра) обычно будет находиться в каком-то состоянии, отличном от основного (стабильного) состояния.
Возбужденное состояние распадается, испуская один или несколько фотонов, которые называются гамма-лучами.