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2025-12-24T18:05:52Z

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{{Begriffsklärungshinweis}}
[[Datei:Feynman EP Annihilation.svg|thumb|[[Feynmandiagramm]] der Annihilation eines Elektrons e<sup>−</sup> mit einem Positron e<sup>+</sup>. Der ''Ort'' ist in diesem Diagramm von links nach rechts, die ''Zeit'' von unten nach oben aufgetragen. Elektron und Positron vernichten sich gegenseitig. Nach dieser Annihilation verbleiben zwei Photonen. <math>\gamma</math>.]]

In der [[Teilchenphysik|Elementarteilchenphysik]] versteht man unter '''Annihilation''' ({{laS|annihilatio}} „das Zunichtemachen“) den Prozess der '''Paarvernichtung''' (auch: '''Paarzerstrahlung''', kurz auch '''Zerstrahlung'''), bei dem ein [[Elementarteilchen]] und sein [[Antiteilchen]] sich zusammen in andere Teilchen verwandeln. In vielen Fällen kommt es zu einer vollständigen Umsetzung ihrer [[Masse (Physik)|Massen]], zuzüglich ihrer [[kinetische Energie|kinetischen Energie]], in [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetische Strahlungsenergie]].

Der der Annihilation entgegengesetzte Prozess ist die [[Paarerzeugung]], die Bildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares aus anderer Energie als derjenigen einer Paarvernichtung, z. B. die Umwandlung eines [[Photon]]s im Feld eines schweren Kerns in ein [[Elektron]] und ein [[Positron]].

== Hochenergiephysik-Forschung ==
In Experimenten an [[Collider]]-Anlagen lässt man zu Forschungszwecken [[Elektron]]en mit [[Positron]]en gleicher und sehr hoher Bewegungsenergie, aber entgegengesetzter Flugrichtung zusammenstoßen. Das Gleiche ist auch mit [[Proton]]en und [[Antiproton]]en möglich. Wegen der günstigen [[Kinematik (Teilchenprozesse)|Kinematik]] solcher [[Colliding-Beam-Experiment]]e steht neben den Ruheenergien auch fast die gesamte Bewegungsenergie der beiden Teilchen für Umwandlungen zur Verfügung.

== Positron-Elektron-Vernichtung in Materie ==
Positronen geringerer Energie kommen als [[Betastrahlung]] und als Zerfallsprodukt von positiven [[Myon]]en der sekundären [[Kosmische Strahlung#Sekundäre kosmische Strahlung|kosmischen Strahlung]] vor. Ein solches Positron wird beim Eintritt in Materie zunächst durch Stöße abgebremst und kann dann mit einem der dort vorhandenen Elektronen ein [[Positronium]]-„Atom“ bilden. Wenn der [[Spin]] des Positrons entgegengesetzt zu dem des Elektrons ausgerichtet ist (Parapositronium), dann zerfällt das Positronium mit einer Halbwertszeit der Größenordnung 0,1 ns in zwei Photonen. Die Annihilation ist jedoch auch direkt ohne Bildung eines gebundenen Positroniumzustands möglich.

Sind Impuls und [[kinetische Energie]] des Positroniums vernachlässigbar klein, dann ist der Winkel zwischen den Emissionsrichtungen der beiden Photonen genau 180° und die Energie jedes Photons 511 [[keV]], die Ruheenergie von Elektron oder Positron. Falls das System vor der Vernichtung jedoch einen [[Impuls]] besitzt, wird dieser auf die Photonen übertragen, so dass sie nicht im Winkel von 180° ausgesandt werden. Die Differenz des tatsächlichen Winkels zu 180° ist der Winkel <math>\theta</math> mit
: <math>\tan{\theta}=\frac{p_{T}}{m_{e}c}</math>,
wobei <math>p_{T}</math> die transversale Komponente des Impulses des Positroniums vor der Vernichtung gegenüber der Emissionsrichtung, <math>m_e</math> die Elektronenmasse und <math>c</math> die [[Lichtgeschwindigkeit]] ist. Da das Positronium in diesem Fall auch kinetische Energie besitzt, tritt der [[Dopplereffekt]] auf, so dass die beiden Photonenenergien gegenüber 511 keV etwas verschoben sind. In der Praxis ist dadurch diese 511-keV-Linie, wenn man sie in einem [[Gammaspektroskopie|Gammaspektrometer]] beobachtet, im Vergleich zu anderen Spektrallinien stets deutlich verbreitert.

Das [[Positronium|Orthopositronium]] zerfällt nicht in zwei, sondern drei (oder selten noch mehr) Photonen. Diese haben keine diskreten Energien, sondern ein [[Kontinuum (Physik)|kontinuierliches]] Energiespektrum.

=== Anwendungen der Positron-Elektron-Annihilationsstrahlung ===
In der [[Festkörperphysik]] wird die Annihilationsstrahlung von 511 keV verwendet, um die Lebensdauer der Positronen in Festkörpern zu ermitteln. Die Lebensdauer ist abhängig von der lokalen Elektronendichte und damit charakteristisch für bestimmte Kristalldefekte. Sie wird deshalb zur Identifizierung von [[Leerstelle]]n genutzt. Auch die Messung der genannten Dopplerverbreiterung erlaubt eine Identifikation von Kristalldefekten und auch eine Analyse ihrer chemischen Umgebung oder Zusammensetzung.

Medizinisch wird die Annihilationsstrahlung (''Vernichtungsstrahlung'') bei dem bildgebenden Verfahren [[Positronen-Emissions-Tomographie]] genutzt.

== Literatur==
* {{Literatur|Autor=Jörn Bleck-Neuhaus|Titel=Elementare Teilchen|Auflage=2|Verlag=Springer|ISBN=978-3-642-32578-6|Jahr=2013}}
* R.N. West: ''Positron Studies of Condensed Matter.'' Taylor & Francis Ltd., London 1974, 0 85066 070 X.

== Weblinks==
{{Wiktionary}}

[[Kategorie:Teilchenphysik]]

Annihilation - Versionsgeschichte

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