Bajka o (anty)materii i nie tylko…

Rozmyślając o tym, jak w możliwie przystępny sposób wyłożyć Ci fizyczne podstawy chemii, bo właściwie tym się teraz zajmujemy, bardzo chciałem pozostawić Cię w błogiej nieświadomości (chemicy kochają to robić!) i oszczędzić wspominków o czymś, co nazywamy antymaterią. Po namyśle stwierdziłem jednak (z niemałym bólem), że nie da się tego zrobić. Wobec tego zaczynamy naszą opowieść!

Dawno, dawno temu… Jak szacuje się, około 13,8 mld lat temu, był sobie Wielki Wybuch (ang. Big Bang). Dał on początek całemu Wszechświatowi, ale nie o tym dzisiaj. 🙂 Jeżeli sam początek wszystkiego jest dla kogoś interesujący (a zapewniam, że warto się tym zainteresować), polecam książkę S. Weinberga Pierwsze trzy minuty. Tak czy siak, ów wybuch dał początek materii, oraz jej bliźniaczej siostrze…

Już przestaję, zaczyna to brzmieć jak wstęp do sequela beznadziejnego filmu z cyklu Okruchy życia. 

Czym właściwie jest materia? Wspominałem już, że w potocznym rozumieniu to wszystko, co nas otacza, co możemy zobaczyć, dotknąć. Niestety nie do końca. Problem jest o tyle skomplikowany, że sami naukowcy nie potrafią się dogadać i podać światu jedynej słusznej, objawionej definicji. Ja to widzę tak…

Wszystko, co widzimy dookoła (a także czego skutki jesteśmy w stanie zaobserwować), to energia. Energia jest wszędzie i może przybierać różne formy. Znamy energię elektryczną (prund), mechaniczną (kiedy coś szybko leci, intuicyjnie możemy stwierdzić, że ma pewną energię), cieplną, chemiczną (w wiązaniach) i tak dalej… Zaraz, powiedziałem, że wszystko, co widzimy, jest formą energii. Tak… Masa, a więc i materia, jest formą energii.

Może się to wydawać abstrakcyjne, ale jednoznaczne potwierdzenie tej teorii dostarczył Einstein w równaniu wynikającym ze szczególnej teorii względności, z resztą na pewno bardzo dobrze Tobie znanym:

$! E=mc^2$

Równanie to jednoznacznie stwierdza, że masa $(m)$jest pewnym równoważnikiem energii $(E)$, gdzie $c$ to prędkość światła w próżni. W ten sposób, w różnych procesach możliwe są dwie drogi przemiany: z masy uzyskujemy energię lub z energii – masę. Oczywiście na co dzień (z wyjątkiem specjalistycznych jednostek badawczych) nie obserwujemy takich procesów.

Posługując się przykładami pokażę, że jest to możliwe. Procesy rozpadu ciężkich leptonów omówimy w następnej lekcji, jednak jest to właśnie przykład przemiany, w której z masy uzyskujemy energię – ciężki mion $(\mu ^-)$ rozpada się na około 207 razy lżejszy elektron $(e^-)$ oraz dwie cząstki właściwie nieposiadające masy (o tym więcej w następnym artykule). Zatem jak to jest możliwe? No właśnie, te dwie cząstki, choć bezmasowe, posiadają odpowiednią porcję energii, przez co proces jest zbilansowany energetycznie (energia, a w zasadzie suma jej wszystkich form po obu stronach jest taka sama):

$!\mu^-\longrightarrow e^- + \nu_\mu + \overline{\nu_e}$

Tak przy okazji, poznałeś chyba najważniejszą zasadę zachowania – zasadę zachowania energii. Energii znikąd nie wytrzaśniemy, nie możemy też się jej całkowicie pozbyć (zniszczyć energii się nie da). Jedyne, co jesteśmy w stanie zrobić, to przekształcać ją w inne formy – np. energię chemiczną na elektryczną w trakcie pracy ogniwa galwanicznego.

Możliwy jest także drugi rodzaj przemiany. Jeżeli mamy foton $(\gamma)$, czyli najmniejszą część promieniowania elektromagnetycznego, o bardzo wysokiej energii, może się stać tak, że ulegnie on pewnej ciekawej przemianie. Choć sam foton nie ma masy, to jeżeli będzie miał dostatecznie dużą energię, utworzy dwie analogiczne względem siebie cząstki, każda z nich będzie miała jakąś masę:

$!\gamma\longrightarrow e^+ + e^-$

Taki proces nazywamy kreacją par (par cząstka-antycząstka). Jest to zjawisko spontaniczne i niejako odwrotne do omówionej poniżej anihilacji. Teoretycznie utworzona mogłaby być para każdej cząstki i antycząstki, jednak im mniejsza masa tych cząstek, tym częściej zostaną utworzone.

W każdym razie wiemy jedno – masa jest formą energii, a więc i materia jest formą energii. Po Wielkim Wybuchu to właśnie ogromne porcje energii zaczęły być przekształcane w cząstki obdarzone pewną masą. Tak rodziła się materia. Właściwie najpopularniejszą definicją materii jest ta, która mówi, że materią nazywamy wszystkie cząstki mające masę różną od zera.

Ale nie materia jest główną bohaterką tego artykułu! Jak już wspomniałem, ma ona bliźniaczą siostrę – antymaterię właśnie. Cholera, co to takiego? Z poprzedniego artykułu wiemy, jakie cząstki składają się na materię (poznaliśmy przynajmniej grupy tych cząstek). Co się okazuje? Każdej cząstce materii odpowiada analogiczna, tzw. antycząstka, będąca elementem antymaterii. Jak to działa?

Antymateria jest jakby lustrzanym odbiciem materii. Każda cząstka i odpowiadająca jej antycząstka mają w zasadzie identyczne rozmiary(*) i masę, jednak wszystkie „zero-jedynkowe” wielkości dokładnie przeciwne. Co to znaczy? Elektron $(e^-)$ ma masę ok. $m_{e^-}\approx9,10938\cdot 10^{-31}\ \mathrm{kg}$ i ładunek elektryczny $-1$ (jako ładunek elementarny). Istnieje odpowiadająca mu antycząstka – nazywamy ją po prostu antyelektronem (lub pozytonem) i oznaczamy symbolem $e^+$. Masa pozytonu $m_{e^+}\approx9,10938\cdot 10^{-31}\ \mathrm{kg}$, a ładunek elektryczny wynosi $+1$ (również w j. elementarnych) – mają tę samą masę, a przeciwne ładunki elektryczne. Analogiczne podobieństwa i różnice wykazują wszystkie odpowiadające sobie pary cząstka – antycząstka.

Ale moment. Skoro antymateria jest w zasadzie taka jak materia (bo jest do niej podobna!), to dlaczego:

  1. Antymateria jest właśnie anty?
  2. Wszystko, co nas otacza, to materia, antymaterii w życiu codziennym próżno szukać?

Na te wszystkie pytania jest w zasadzie jedna odpowiedź. Nie wiemy dokładnie, dlaczego całe nasze otoczenie (nie tylko miasto, ale i kraj, Ziemia, Układ Słoneczny, Droga Mleczna i dużo dużo dalej) to właśnie materia, a nie antymateria. Polecana wyżej książka trochę mówi na ten temat. Skoro materia to wszystko, co nas otacza, jej przeciwieństwo nazwano antymaterią. Tak po prostu.

I jeszcze jedna rzecz – raz mówię, że materia i antymateria są podobne, innym razem, że to zupełne przeciwieństwa. Wydaje mi się, że w obu przypadkach mam rację. Podobieństwo polega na tym, że są to dwa analogiczne komplety cząstek, które teoretycznie zdolne są do budowy znanego nam Wszechświata (choć jakby to wyglądało w przypadku antymaterii, trudno powiedzieć na pewno). Przeciwieństwo jest jednak dość ważne.

Nazwa antymateria nie wzięła się znikąd. Okazuje się, że gdy spotkają się odpowiadająca sobie cząstka i antycząstka, następuje ich anihilacja. O matko, czyli co? Czyli ich zniszczenie, destrukcja – jak zwał tak zwał. Na przykładzie elektronu i pozytonu:

$! e^- + e^+\longrightarrow \gamma^*$

Dodając gwiazdkę do jakiegoś indywiduum chemicznego podkreślamy, że jest to cząstka w stanie wzbudzonym lub obdarzona dużą energią.

Powstaje foton $(\gamma)$ o bardzo wysokiej energii – potraktujmy go po prostu jako porcję energii właśnie. Antymateria to zatem pojęcie uprawnione – gdy do jednego kotła wrzucimy komplet cząstek i odpowiadających im antycząstek, otrzymamy ogromną porcję energii, ale z cząstek (masy), nic nie zostanie.

Czy jednak da radę zaobserwować gdzieś antymaterię? Jest to rzadkość, ale tak. Pozytony (antyelektrony $e^+$) są produktem rozpadów promieniotwórczych – właściwie rozpadu $\beta^+$. Co więcej, w CERN-ie, udało się otrzymać i zaobserwować atomy antywodoru (właściwie antyatomy wodoru, chociaż trudno o zgodę również w kwestii tego nazewnictwa), a także antyjądra najlżejszych pierwiastków – wodoru i helu.

 

Zadania do domu

  1. W jaki sposób (jakimi symbolami) oznacza się antycząstki? Podaj symbole antyelektronu, antyprotonu i atomu antywodoru.
  2. Jaka porcja energii odpowiada masie 1 kg żelaza, a jaka 1 kg litu? O czym to świadczy?
  3. *Powyżej zawarto następującą informację o procesie zwanym kreacją par: Jest to zjawisko spontaniczne i niejako odwrotne do omówionej poniżej anihilacji. Teoretycznie utworzona mogłaby być para każdej cząstki i antycząstki, jednak im mniejsza masa tych cząstek, tym częściej zostaną utworzone. Dlaczego cząstki o większej masie rzadziej powstają w procesie kreacji par?
  4. *Czy istnieje cząstka (jeśli tak, podaj jeden przykład), która jest identyczna ze swoją antycząstką?
  5. *Czy we Wszechświecie ilość materii i antymaterii jest taka sama?

Pokaż rozwiązania

Rozwiązania

  1. Ogólnie rzecz biorąc, symbol antycząstki powstaje poprzez dodanie poziomej linii nad symbolem odpowiadającej jej cząstki: proton: $p$, antyproton: $\overline{p}$, oraz: wodór: $\mathrm{H}$ i antywodór: $\overline{\mathrm{H}}$. Wyjątek stanowią leptony obdarzone ładunkiem elektrycznym. Tam antycząstkę oznacza się poprzez zmianę znaku przy symbolu – elektron: $e^-$ i antyelektron: $e^+$.
  2. Na wstępie trzeba zauważyć, że masa jest równoważnikiem energii takim samym, niezależnie od pochodzenia. Czy weźmiemy 1 kg żelaza, siarki, zwierzęcego sadła czy krowiego łajna, sama masa 1 kg odpowiada takiej samej porcji energii (oczywiście pomijamy wiązania chemiczne, które również niosą ze sobą energię). Aby obliczyć, jaka energia odpowiada masie 1 kg, wystarczy skorzystać z równania:
    $!E=mc^2$ Odpowiedź: Jest to energia równa $8,988\cdot 10^{16} \mathrm{J}=5,61\cdot 10^{34} \mathrm{eV}$.
  3. Odpowiedź jest dość oczywista – im większa masa tworzonych cząstek, tym większa energia jest potrzebna, aby taką cząstkę utworzyć.
  4. Owszem, istnieje. Co ciekawe, fotony są identyczne ze swoimi antycząstkami (nie wprowadzono więc pojęcia antyfotonu).
  5. Uznawany za najbardziej prawdopodobny model powstania Wszechświata nasuwa wniosek, że ilość materii i antymaterii we Wszechświecie jest taka sama. Wszystkie znaki na niebie i ziemi wskazują jednak, że tak nie jest – nie obserwujemy żadnego znanego nam, możliwego skutku występowania dużych skupisk antymaterii. Czy jednak jest tak na pewno – tego nie wiemy. 🙂 Jeżeli chcesz wiedzieć więcej, zapoznaj się z procesem bariogenezy.

Problem z zadaniem domowym? Potrzebujesz dodatkowych wyjaśnień? Już niebawem znajdziesz tutaj filmik video, dzięki któremu zadania rozwiążemy razem, krok po kroku. Zaglądaj regularnie!