Grenzenergien

Grenzenergie, oft auch als Schwellenenergie bezeichnet, ist die minimale Energiemenge, die erforderlich ist, damit eine bestimmte Wechselwirkung oder Reaktion überhaupt stattfinden kann. Unterhalb dieser Grenze ist der Prozess durch Energie- und Impulserhaltung geometrisch oder energetisch unmöglich.

Beispiele und Anwendungen: In der Atomphysik entspricht die Grenzenergie der Ionisationsenergie eines Elektrons; in der Festkörperphysik kann die Grenzenergie zur Emission von Elektronen aus einer Oberfläche relevant sein (Work function). In der Kern- und Teilchenphysik beschreibt die Grenzenergie die Mindestenergie, um schwere Endzustände zu erzeug, zum Beispiel die Pionenproduktion in Nukleon-Nukleon-Kollisionen oder die Erzeugung von Teilchenpaaren. Auch Photonen- oder Gamma-Strahlung in Wechselwirkungen mit anderen Photonen oder Teilchen können eine Grenzenergie haben, bei der ein Prozess wie die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares entsteht. Allgemein hängt die Grenzenergie von den beteiligten Massen und dem Energie- und Impulsbilanzzustand des Systems ab.

Mechanismus: Am Grenzfall kann der Endzustand im Zentren des Massensystems mit ruhenden Endteilchen beschrieben werden; die verfügbare kinetische Energie im Laborsystem entspricht dann der Differenz der Gesamtrestmassen. Für eine Reaktion a + b -> c + d mit b in Ruhe gilt grob E_lab,th = [(m_c + m_d)^2 − m_a^2 − m_b^2] / (2 m_b).

Relevanz: Grenzenergien beeinflussen Reaktionsraten und Querschnitte, formen Experimente und haben Bedeutung in der Astrophysik, z. B. bei Wechselwirkungen hochenergetischer Photonen oder kosmischer Strahlung.

Siehe auch: Ionisationsenergie, Arbeitsfunktion, Aktivierungsenergie, Grenzenergie in der Kernphysik.