Przeczytaj
Warto przeczytać
Anihilacja to zjawisko zachodzące, gdy materia spotyka się z antymateriąantymaterią. Materia i antymateria w wyniku anihilacji znikają, a cała ich energia spoczynkowa zamienia się w energię promieniowania elektromagnetycznego. Czym jest antymateria? Każda cząstka elementarna posiada swoją antycząstkę, która ma taką samą masę, a przeciwny ładunek. Antycząstką elektronu jest pozytonpozyton, który ma masę identyczną z masą elektronu. Ładunki elektronu i pozytonu mają taka samą wartość (ładunek elementarny) są jednak przeciwnych znaków. Ładunek elektronu jest ujemny, -, a pozytonu dodatni, +.
Pozytony mogą pojawiać się na skutek rozpadów promieniotwórczych (przemiana ). Jeśli przez materię przechodzą fotony gamma o odpowiednio dużej energii, może zajść zjawisko kreacji par elektron – pozyton. Polega to na tym, że foton znika, a cała jego energia zamienia się na energię spoczynkową i kinetyczną dwóch cząstek – elektronu i pozytonu. Gdy pozyton znajdzie się w otoczeniu atomów, dość szybko natrafi na elektron. Zauważmy, że pozyton i elektron o przeciwnych ładunkach przyciągają się siłami elektrycznymi. Para przyciągających się cząstek na krótki czas, rzędu 10Indeks górny -7-7 s, tworzy układ zwany pozytonium (Rys. 1.). Elektron i pozyton poruszają się wokół wspólnego środka masy, zbliżając się do siebie, a następnie ulegają anihilacji (dalej w tym materiale obejrzysz stosowną animację). Siła przyciągająca między nimi i jednakowa masa sprawiają, że cząstki zbliżają się do siebie z jednakowymi, co do wartości, pędami, ale przeciwnie skierowanymi. Całkowity pęd układu cząstek jest więc równy zeru.
Zasada zachowania pędu mówi, że całkowity pęd izolowanego układu zawsze pozostaje stały. W wyniku anihilacji nie może powstać pojedynczy foton, bo każdy foton unosi pęd:
gdzie jest częstotliwością fali, – długością fali, = 3 · 10Indeks górny 88 m/s – prędkością światła, – stałą Plancka, = 6,63 · 10Indeks górny -34-34 J·s lub 4,14 · 10Indeks górny -15-15eVeV·s.
Aby całkowity pęd po anihilacji pozostał równy zeru, muszą powstać dwa fotony o pędach o równej wartości i przeciwnie skierowanych do siebie (Rys. 2.). Kierunki emisji fotonów są przypadkowe, ale zawsze kąt między kierunkami emisji cząstek wynosi 180°.
Energia fotonu wyraża się wzorem:
Skoro wartości pędów fotonów są jednakowe, równe muszą być ich energie.
Obliczmy energie fotonów powstałych w wyniku anihilacji pary elektron – pozyton. Skorzystamy z zasady zachowania energii. Energia spoczynkowa elektronu, a także pozytonu wynosi 0,51 MeV. Zakładając, że przed anihilacją elektron i pozyton są w spoczynku, całkowita energia, która zamienia się na energię promieniowania wynosi 2·0,51 MeV = 1,02 MeV. Energia ta rozdzielona jest równo między dwa fotony. Każdy z nich unosi energie równą 0,51 MeV. Jeśli elektron i pozyton mają energię kinetyczną większą od zera, energia fotonów gamma powstałych podczas anihilacji ma nieco większą wartość. Jednak energia kinetyczna elektronu i pozytonu jest znacznie mniejsza niż ich energia spoczynkowa i można ją pominąć.
W fizyce jądrowej i fizyce cząstek elementarnych mówimy w skrócie, że masa elektronu wynosi 0,511 MeV. W podobny sposób wyrażamy masy innych cząstek, w jednostkach energii. Takie postępowanie jest tylko wtedy w pełni poprawne, gdy stosujemy odpowiedni układ jednostek, w którym prędkość światła traktujemy jako bezwymiarowy wzorzec prędkości. Inne prędkości wyrażamy jako ułamek prędkości światła, której wartość c jest wtedy równa 1. Fizycy często używają takiego układu jednostek; w układzie tym masa, pęd i energia mają jednakowe jednostki - dżule lub elektronowolty. Piszemy przykładowo, że mIndeks dolny ee=0,511 MeV. Należy jednak pamiętać, że układ jednostek SI obliguje nas do zapisu: mIndeks dolny ee=0,511 MeV/cIndeks górny 22 (lub mIndeks dolny ee=9,1⋅10Indeks górny −31−31kg). Rozważmy przykład: masa elektronu wynosi mIndeks dolny ee=9,1⋅10Indeks górny −31−31kg. Ile będzie równa odpowiadająca tej masie energia spoczynkowa EIndeks dolny 0e0e? Korzystamy z następującego wzoru: EIndeks dolny 0e0e=9,1⋅10Indeks górny −31−31⋅(3⋅10Indeks górny 88)Indeks górny 22kg⋅mIndeks górny 22/sIndeks górny 22=81,9⋅10Indeks górny −15−15J. Pamiętając, że 1eV=1,602⋅10Indeks górny −19−19J, otrzymujemy: EIndeks dolny 0e0e=(81,9⋅10Indeks górny −15−15J)/(1,602⋅10Indeks górny −19−19J/eV)=5,11⋅10Indeks górny 55eV=0,511 MeV Energia spoczynkowa elektronu wynosi wiec 0,511 MeV.
W zjawisku anihilacji również całkowity ładunek elektryczny jest zachowany. Przed anihilacją elektron posiada ładunek -, a pozyton ładunek +. Suma ładunków wynosi więc zero. Podczas anihilacji powstają dwa fotony o zerowym ładunku, więc i po anihilacji całkowity ładunek też jest zerowy.
Słowniczek
(ang. antimatter) układ antycząstek, czyli cząstek elementarnych podobnych do występujących w „zwykłej” materii, ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego oraz wszystkich addytywnych liczb kwantowych.
(ang. positron) elementarna cząstka antymaterii oznaczana symbolem eIndeks górny ++, będąca antycząstką elektronu. Istnienie pozytonu zostało przewidziane teoretycznie w roku 1928 przez Paula Diraca. Po raz pierwszy zaobserwowany został w komorze mgłowej cztery lata później w roku 1932 przez Carla Andersona. Dirac interpretował pozyton jako dziurę w tzw. morzu Diraca, z kolei Richard Feynman rozważał go jako cząstkę poruszającą się do tyłu w czasie. Po odkryciu pozytonu m.in. małżonkowie Joliot‑Curie zaobserwowali tworzenie się pozytonium, czyli stanu związanego eIndeks górny ++eIndeks górny --.
(ang. electronvolt) – jednostka energii spoza układu SI używana w fizyce mikroświata. 1 eV to energia, jaką uzyskuje elektron przyspieszany w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 wolt. 1 eV = 1,6 · 10Indeks górny -19-19 J.