home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / physics / 21806 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-12-27  |  4.9 KB  |  136 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!munnari.oz.au!bruce.cs.monash.edu.au!monu6!yoyo.cc.monash.edu.au!darice
  3. From: darice@yoyo.cc.monash.edu.au (Fred Rice)
  4. Subject: Re: What are the conditions for Mass <-> Energy conversion
  5. Message-ID: <1992Dec28.024210.17537@monu6.cc.monash.edu.au>
  6. Sender: news@monu6.cc.monash.edu.au (Usenet system)
  7. Organization: Monash University, Melb., Australia.
  8. References: <8091@tekig7.PEN.TEK.COM> <1992Dec26.134900.7041@hubcap.clemson.edu>
  9. Date: Mon, 28 Dec 1992 02:42:10 GMT
  10. Lines: 124
  11.  
  12. In <1992Dec26.134900.7041@hubcap.clemson.edu> jtbell@hubcap.clemson.edu (Jon Bell) writes:
  13. >In article <8091@tekig7.PEN.TEK.COM> bhides@tekig1.PEN.TEK.COM (Sandhiprakas J Bhide) writes:
  14. >>
  15. >>Now, if it is indeed true, why is that sunrays or for that matter
  16. >>any other energy such as heat does not by itself convert into mass?
  17. >>That is while I am shaving in front of the mirror, why is that the
  18. >>light emnating from the lamp does not get converted into mass?
  19. >>
  20. >Various "conservation laws" have to be satisfied.  For example, a single
  21. >photon (quantum of light energy) traveling through "empty" space 
  22. >cannot spontaneously convert into a material particle (or convert part
  23. >of its energy into one) because it would violate conservation of 
  24. >momentum.  However, if a high-energy (e.g. gamma-ray) photon passes near
  25. >an atomic nucleus, it can produce an electron-positron pair, because 
  26. >the nucleus can recoil slightly to conserve momentum.
  27.  
  28. In more detail, according to special relativity, the following relation
  29. holds:
  30.  
  31. E^2 = (p^2)(c^2) + (m^2)(c^4)   [1]
  32.  
  33. where E=energy, p=momentum, m=mass,
  34. and c=speed of light, which is a constant.
  35.  
  36. We require conservation of energy and momentum, i.e. of E and p.
  37.  
  38. Since a photon has no mass, it's energy squared according to [1] is
  39.  
  40. E(photon)^2 = (p^2)(c^2)   [2]
  41.  
  42. whereas the energy of a single particle is the full equation given in [1].
  43. Since we require energy to be conserved (and thus energy squared to be
  44. conserved), equating [2] and [1], for the initial photon before
  45. conversion to mass and the particle after the photon is converted to
  46. mass, we get
  47.  
  48. (p^2)(c^2) = (p^2)(c^2) + (m^2)(c^4)   [3].
  49.  
  50. The momentum (p) on the left hand side (for the photon) and on the right
  51. hand side (for the particle) are identical because we require
  52. conservation of momentum. 
  53.  
  54. Equation [3] simplifies to
  55.  
  56. 0 = (m^2)(c^4)   [5].
  57.  
  58. Since c is a nonzero constant, in equation [5] we require m=0, i.e. a 
  59. single photon cannot spontaneously convert into a single particle with mass.
  60.  
  61. How about a photon converting into two particles?
  62.  
  63. Let's say our two particles, 1 and 2, have masses m1 and m2 and momenta
  64. p1 and p2 respectively, and let's leave p to be the momentum of the
  65. photon.
  66.  
  67. Then equation [3] becomes:
  68.  
  69. (p^2)(c^2) = (p1^2)(c^2) + (p2^2)(c^2) + (m1^2)(c^4) + (m2^2)(c^4)
  70.            = (p1^2 + p2^2)(c^2) + (m1^2 + m2^2)(c^4)               [6]
  71.  
  72. However, due to conservation of momentum, we require _p_ = _p1_ + _p2_, 
  73. where _a_ means that _a_ is a vector,
  74. and therefore _p_^2 = (_p1_ + _p2_)^2 = p1^2 + p2^2 + 2p1p2cos(A), where A
  75. is the angle between _p1_ and _p2_.  Thus [6] becomes
  76.  
  77. (p1^2 + p2^2 + 2p1p2cos(A))(c^2) = (p1^2 + p2^2)(c^2) + (m1^2 + m2^2)(c^4)
  78.  
  79. => 2p1p2cos(A) = (m1^2 + m2^2)(c^2)  [7]
  80.  
  81. Equation [7] is the equation that needs to be fulfilled in
  82. order to have a photon spontaneously convert into two particles (such as
  83. an electron-positron pair).  
  84.  
  85. This seems to me to be possible.
  86.  
  87. For example, let's say an electron-positron pair is created, each having
  88. a mass of m0.  (By the way, in this case m0 = 0.511 MeV/c^2.)
  89. For simplification, let's also assume that the angle A -> 0, and thus 
  90. cos(A) -> 1.  And, for further simplification, let's assume that the
  91. magnitude of the momenta of particles 1 and 2 are equal, i.e., that
  92. p1 = p2.  Then [7] becomes
  93.  
  94. 2(p1^2) = 2(m0^2)(c^2)  [8]
  95.  
  96. According to Relativity, the relation of the momentum, p, to the
  97. velocity, v, of a particle of mass m0, is
  98.  
  99. p =  m0 * v                [9]
  100.     -----------------
  101.     [1-(v/c)^2]^(1/2) 
  102.  
  103. Substituting this into [8], we get
  104.  
  105. 2(m0^2)(v^2)
  106. ------------ = 2(m0^2)(c^2)
  107. [1-(v/c)^2]
  108.  
  109. =>   (v^2)/(c^2) = 1 - (v^2)/(c^2)    [assuming m0 does not equal 0]
  110.  
  111. =>   2(v^2) = c^2
  112.  
  113. =>   v^2 = 1/2(c^2)
  114.  
  115. which is a possible result (i.e. v < c).
  116.      
  117. So, it seems to me that a photon *can* spontaneously convert into two
  118. particles with mass, as long as it has enough energy.
  119.  
  120. So, could Jon Bell or someone else remark on this?
  121. My math, assuming it is mistake-free, contradicts what Jon Bell was claiming.
  122.  
  123. >In this example, an electron-positron pair has to be produced (not just an
  124. >electron or just a positron) so that electric charge is conserved.
  125.  
  126. >Actually, in the case of light rays coming from your shaving lamp, the
  127. >photons have so little energy (a few eV apiece) that they cannot possibly
  128. >produce even the least massive particles (electrons/positrons, 511,000 eV
  129. >apiece).
  130.  
  131. >Jon Bell / Dept. of Physics & C.S. / Presbyterian College / Clinton SC USA
  132. >would violate 
  133.  
  134.  Fred Rice
  135.  darice@yoyo.cc.monash.edu.au   
  136.