При образовании пар фотон создает пару электрон-позитрон. В процессе рассеяния фотонов в воздухе (например, при разрядах молний ) важнейшим взаимодействием является рассеяние фотонов на ядрах атомов или молекул . Полный квантовомеханический процесс образования пар можно описать приведенным здесь четырехкратным дифференциальным сечением: [1]
![{\displaystyle {\begin{aligned}d^{4}\sigma &={\frac {Z^{2}\alpha _ {\textrm {fine}}^{3}c^{2}}{(2 \pi )^{2}\hbar }}|\mathbf {p} _{+}||\mathbf {p} _{-}|{\frac {dE_{+}}{\omega ^{3}} }{\frac {d\Omega _{+}d\Omega _{-}d\Phi }{|\mathbf {q} |^{4}}}\times \\&\times \left[-{\ frac {\mathbf {p} _{-}^{2}\sin ^{2}\Theta _{-}}{(E_{-}-c|\mathbf {p} _{-}|\cos \ Тета _{-})^{2}}}\left(4E_{+}^{2}-c^{2}\mathbf {q} ^{2}\right)\right.\\&-{\ frac {\mathbf {p} _{+}^{2}\sin ^{2}\Theta _{+}}{(E_{+}-c|\mathbf {p} _{+}|\cos \ Тета _{+})^{2}}}\left(4E_{-}^{2}-c^{2}\mathbf {q} ^{2}\right)\\&+2\hbar ^{ 2}\omega ^{2}{\frac {\mathbf {p} _{+}^{2}\sin ^{2}\Theta _{+}+\mathbf {p} _{-}^{2 }\sin ^{2}\Theta _{-}}{(E_{+}-c|\mathbf {p} _{+}|\cos \Theta _{+})(E_{-}-c| \mathbf {p} _{-}|\cos \Theta _{-})}}\\&+2\left.{\frac {|\mathbf {p} _{+}||\mathbf {p} _{-}|\sin \Theta _{+}\sin \Theta _{-}\cos \Phi }{(E_{+}-c|\mathbf {p} _{+}|\cos \Theta _ {+})(E_{-}-c|\mathbf {p} _{-}|\cos \Theta _{-})}}\left(2E_{+}^{2}+2E_{-}^ {2}-c^{2}\mathbf {q} ^{2}\right)\right].\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/096458d01cf33067dda220a05466e29836b2d565)
с

Это выражение можно получить, используя квантовомеханическую симметрию между образованием пар и тормозным излучением .
атомный номер ,
постоянная тонкой структуры ,
приведенная постоянная Планка и
скорость света . Кинетические энергии
позитрона и электрона относятся к их полным энергиям
и импульс
с помощью

Сохранение энергетических результатов

Импульс
виртуального фотона между падающим фотоном и ядром:

где направления даны через:

где
– импульс падающего фотона.
Чтобы проанализировать связь между энергией фотона
и угол излучения
между фотоном и позитроном Кён и Эберт интегрировали [2] четырехкратное дифференциальное сечение по
и
. Двойное дифференциальное сечение равно:

с
![{\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}&={\frac {2\in A}{\sqrt {(\Delta_{2}^{(p)})^{2}+4p_{+ } ^{2}p_{-}^{2}\sin ^{2}\Theta_{+}}}}\\&\times \ln \left({\frac {(\Delta_{2}^ {(p )})^{2}+4p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+}-{\sqrt{(\Delta_{2 }^{(p )})^{2}+4p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+}}}(\Delta_{1} ^{(p)}+ \Delta_{2}^{(p)})+\Delta_{1}^{(p)}\Delta_{2}^{(p)}}{-(\ Delta _{2}^{(p) })^{2}-4p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+}-{\sqrt { (\Delta_{2}^{(p) })^{2}+4p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+}}}( \Delta_{1}^{(p)}-\ Delta_{2}^{(p)})+\Delta_{1}^{(p)}\Delta_{2}^{(p) }}}\right)\\&\times \left[-1- {\frac {c\Delta_{2}^{(p)}}{p_{-}(E_{+}-cp_{+} \cos \Theta_{+})}}+{\frac{p_{+ }^{2}c^{2}\sin^{2}\Theta_{+}}{(E_{+}-cp_ {+}\cos \Theta_{+})^{2}}}-{\ frac{2\hbar^{2}\omega^{2}p_{-}\Delta_{2}^{(p )}}{c(E_{+}-cp_{+}\cos\Theta_{+} )((\Delta_{2}^{(p)})^{2}+4p_{+}^{ 2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+})}} \right],\\I_{2}&={\frac {2\pi Ac}{p_{- }(E_{+}-cp_{+}\cos \Theta_{+})}}\ln \left ({\frac {E_{-}+p_{-}c}{E_{-}-p_{ -}c}}\right),\\I_{3}&={\frac {2\in A} {\sqrt {(\Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta _{1}^{(p)}p_{-}c)^{2}+4m^{2}c ^{4}p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin ^ {2}\Theta_{+}}}}\\&\times \ln {\Bigg(}{\Big( }(E_{-}+p_{-}c)(4p_{+}^{2} p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+}(E_{-}-p_{- }c)+(\Delta_{1}^{(p)}+\Delta_ {2}^{(p)})((\Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta_{ 1}^{(p)}p_{-}c)\\& -{\sqrt {(\Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta_{1}^{(p)} p_{-}c)^{2}+4m^{2 }c^{4}p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+}}} )){\Big )}{\Big(}(E_ {-}-p_{-}c)(4p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{ +}(-E_{-}-p_{-} c)\\&+(\Delta_{1}^{(p)}-\Delta_{2}^{(p)})((\Delta_{2 }^{(p)}E_{- }+\Delta_{1}^{(p)}p_{-}c)-{\sqrt {(\Delta_{2}^{(p)}E_{-} +\Delta_{1}^ {(p)}p_{-}c)^{2}+4m^{2}c^{4}p_{+}^{2}p_{-}^{2}\ sin ^{2}\Theta _{+}}})){\Big )}^{-1}{\Bigg )}\\&\times \left[{\frac {c(\Delta_{2}^ {(p)}E_ {-}+\Delta_{1}^{(p)}p_{-}c)}{p_{-}(E_{+}-cp_{+}\cos \Theta_{+} )}}\ right.\\&+{\Big[}((\Delta_{2}^{(p)})^{2}+4p_{+}^{2}p_{-}^{2} \sin^ {2}\Theta_{+})(E_{-}^{3}+E_{-}p_{-}c)+p_{-}c(2((\Delta_{1}^{( p )})^{2}-4p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin ^{2}\Theta _{+})E_{-}p_{-}c\\& + \Delta_{1}^{(p)}\Delta_{2}^{(p)}(3E_{-}^{2}+p_{-}^{2}c^{2})){ \ Big ]}{\Big [}(\Delta _{2}^{(p)}E_{-}+\Delta _{1}^{(p)}p_{-}c)^{2}+ 4м ^{2}c^{4}p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+}{\Big ]}^{-1}\\ &+ {\Big[}-8p_{+}^{2}p_{-}^{2}m^{2}c^{4}\sin^{2}\Theta_{+}(E_{+ }^{ 2}+E_{-}^{2})-2\hbar^{2}\omega^{2}p_{+}^{2}\sin^{2}\Theta_{+}p_ {-}c (\Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta_{1}^{(p)}p_{-}c)\\&+2\hbar ^{2 }\omega^{2 }p_{-}m^{2}c^{3}(\Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta_{1}^{(p) }p_{-}c){ \Big ]}{\Big [}(E_{+}-cp_{+}\cos \Theta_{+})((\Delta_{2}^{(p)} E_{-}+\Delta _{1 }^{(p)}p_{-}c)^{2}+4m^{2}c^{4}p_{+}^{2}p_{-} ^{2}\sin^{2} \Theta_{+}){\Big ]}^{-1}\\&+\left.{\frac {4E_{+}^{2}p_{-} ^{2}(2(\Delta_{2 }^{(p)}E_{-}+\Delta_{1}^{(p)}p_{-}c)^{2}-4m^{ 2}c^{4}p_{+}^{ 2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+})(\Delta_{1}^{(p)}E_ {-}+\Delta_{2}^{(p)} p_{-}c)}{((\Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta_{1}^ {(p)}p_{-}c)^{2}+4m^ {2}c^{4}p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin ^{2}\Theta _{+})^{2}}}\right],\\I_ {4}&={\frac {4\pi Ap_{-}c(\Delta _{2}^{(p)}E_{ -}+\Delta_{1}^{(p)}p_{-} c)}{(\Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta_{1}^{( p)}p_{-}c)^{2}+4m^{2}c^ {4}p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin ^{2}\Theta_{ +}}}+{\frac {16\pi E_{+}^{2}p_{ -}^{2}A(\Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta_ {1}^{(p)}p_{-}c)^{2}}{((\ Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta_{1}^{(p )}p_{-}c)^{2}+4m^{2}c^{4}p_{+ }^{2}p_{-}^{2}\sin ^{2}\Theta _{+ })^{2}}},\\I_{5}&={\frac {4\pi A} {(-(\Delta _{2}^{(p)})^{2}+(\ Delta _{1}^{(p)})^{2}-4p_{+}^{2}p_ {-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+})((\Delta _{2}^{(p)}E_{-}+\Delta _{1}^{(p)} p_{-}c)^{2}+4m^{2}c^{4}p_{ +}^{2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+})} }\\&\times\left[{\frac{\hbar^{2}\omega^ {2}p_{-}^{2}}{E_{+}cp_{+}\cos \Theta_{+} }}{\Big[}E_{-}[2(\Delta_{2}^ {(p)})^{2}((\Delta_{2}^{(p)})^{2}-( \Delta_{1}^{(p)})^{2})+ 8p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin^{2}\Theta_{+}((\Delta_{ 2}^{(p)})^{2}+(\ Delta_{1}^{(p)})^{2})]\right.\\&+p_{-}c[2\Delta_{ 1}^{(p)}\Delta_{2} ^{(p)}((\Delta_{2}^{(p)})^{2}-(\Delta_{1}^{(p)} )^{2})+16\Delta_ {1}^{(p)}\Delta_{2}^{(p)}p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin^{ 2}\Theta_{+}] {\Big ]}{\Big [}(\Delta_{2}^{(p)})^{2}+4p_{+}^{2}p_{-}^{ 2}\sin ^{2 }\Theta_{+}{\Big]}^{-1}\\&+{\frac{2\hbar^{2}\omega^{2}p_{+}^{ 2}\sin^{ 2}\Theta_{+}(2\Delta_{1}^{(p)}\Delta_{2}^{(p)}p_{-}c+2(\Delta_{2} ^{ (p)})^{2}E_{-}+8p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin ^{2}\Theta _{+}E_{-})} {E_ {+}-cp_{+}\cos \Theta_{+}}\\&-{\Big[2E_{+}^{2}p_{-}^{2}\{2((\Delta _ {2}^{(p)})^{2}-(\Delta_{1}^{(p)})^{2})(\Delta_{2}^{(p)}E_{ -}+ \Delta _{1}^{(p)}p_{-}c)^{2}+8p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin ^{2}\Theta _{+ }[((\Delta_{1}^{(p)})^{2}+(\Delta_{2}^{(p)})^{2})(E_{-}^ {2}+p_ {-}^{2}c^{2})\\&+4\Delta_{1}^{(p)}\Delta_{2}^{(p)}E_{- }p_{-}c] \}{\Big ]}{\Big [}(\Delta_{2}^{(p)}E_{-}+\Delta_{1}^{(p)}p_ {-}c)^{2} +4m^{2}c^{4}p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin ^{2}\Theta_{+}{\ Big ]}^{-1}\\ &-\left.{\frac {8p_{+}^{2}p_{-}^{2}\sin ^{2}\Theta_{+}(E_{ +}^{2}+E_{-} ^{2})(\Delta_{2}^{(p)}p_{-}c+\Delta_{1}^{(p)}E_{-} )}{E_{+}-cp_{+}\ потому что \Theta_{+}}}\right],\\I_{6}&=-{\frac {16\pi E_{-}^{2} p_{+}^{2}\sin^{2} \Theta_{+}A}{(E_{+}-cp_{+}\cos \Theta_{+})^{2}(-(\ Delta _{2}^{(p)})^{2} +(\Delta_{1}^{(p)})^{2}-4p_{+}^{2}p_{-}^{ 2}\sin^{2}\Theta_{+})}}\ конец {выровнено}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/89082d84daae3b60c3793714c522e974deaa7739)
и

Это сечение можно применять при моделировании Монте-Карло. Анализ этого выражения показывает, что позитроны испускаются преимущественно в направлении падающего фотона.
- ^ Бете, Х.А., Хайтлер, В., 1934. Об остановке быстрых частиц и создании положительных электронов. Учеб. Физ. Соц. Лонд. 146, 83–112
- ^ Кён, К., Эберт, У. , Угловое распределение фотонов тормозного излучения и позитронов для расчетов земных гамма-вспышек и позитронных пучков, Atmos. Рез. (2014), вып. 135-136, стр. 432-465.