湮滅(Annihilation)

湮滅(Annihilation)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

湮滅(Annihilation)，字面上意指物質的消滅，是當一個粒子(particle)與其相對應的反粒子(antiparticle)互相碰撞之 後，物質粒子轉變為高能光子(photon)型式的電磁波，例如電子(electron)與正子(positron)的湮滅（式一）、以及質子 (proton)與反質子(anti-proton)的湮滅：
e + e⁺ → γ + γ        （式一）

由於該粒子與反粒子兩者的量子態彼此相反，當兩者碰撞後物質粒子雖然消失，但不是什麼都沒有了，由於能量守恆以及動量(momentum)守恆、角動量(angular momentum)守恆等物理定律，粒子湮滅還是有存留下來的東西，那就是能量。根據愛因斯坦的能量守恆定律(E = mc²)0.5克物質湮滅所產生的能量約100萬千卡，相當於廣島原爆釋出的能量。

低能量的湮滅，所產生的粒子為光子，光子為無質量之粒子，如上述之電子與正電子的湮滅。這是因為電子所擁有的質量能量(mass-energy)太低，不 具產生較重新物質粒子之條件。此外由於粒子本身的靜止能(rest energy)不夠高，因此只足夠產生兩個或是多個的γ射線光子；因為在電子與正電子碰撞湮滅的瞬間，兩者為靜止，系統動量為0，必須有兩個相反方向的光 子產生才能維持動量守恆。

當帶有較大動能進行粒子碰撞時，湮滅後就可能產生其他種類的粒子對，例如利用粒子加速器(accelerator)進行高能粒子碰撞，常用來產生許多較重 的粒子。許多高能下存在的粒子，是透過這類湮滅反應所觀測到的，也是粒子加速器的主要功用之一。而在高能量的碰撞時，就有可能會產生如介子 (mesons)等較重的粒子。當然還是有可能產生質量輕的粒子，但質量輕的粒子會帶有較高的能量。目前能夠透過此方法得到的最重的粒子對是W⁺ – W^– 玻色子對，而正在努力發現最重的單粒子──Z玻色子的玻色子對。

而質子與反質子的湮滅產生夸克(quark)和反夸克(anti-quark)。根據夸克(quark)理論，這些粒子的碰撞，在更微觀的角度下只是一些 夸克的重排，以及相同味(flavor)的夸克對之生成與消滅而已。相反的，透過質子與反質子的碰撞，只產生光子的機率是非常低的。

參考資料：
1. Wikipedia– Annihilation  http://en.wikipedia.org/wiki/Annihilation
2. Wikipedia– Electron-positron annihilation  http://en.wikipedia.org/wiki/Electron-positron_annihilation