STŘEDOČESKÝ KRAJ ANTIHMOTA

Transkript

1 ENERSOL 2011 STŘEDOČESKÝ KRAJ ANTIHMOTA

2 Adresa autora projektu: Jméno, příjmení autorů projektu Enersol 2011: Jakub Rohan, Richard Měcháček Učební, studijní obor, ročník studia: Informační technologie, 2. ročník Adresa školy: Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola Jana Palacha KLADNO Jméno učitele-koordinátora projektu: Mgr. Šárka Čečrdlová Kontakt: SPŠ a VOŠ Kladno Tel/fax: cecrdlova@spskladno.cz Webové stránky školy: Práce zaslána regionálnímu centru dne: Podpisy autorů projektu: Podpis učitele-koordinátora projektu: 2

3 Úvod Toto téma jsme si vybrali, jelikož si myslíme, že je to aktuální téma ve všech odborných pořadech a článcích a také proto, že nás zajímá vše, co se týče antihmoty a vesmíru obecně. Nedávno se na internetu a v novinách objevil článek o tom, že se vědcům podařilo asi na 170 milisekund vytvořit 38 atomů antivodíku. Stručná charakteristika projektu Antihmotu bychom zařadili do kategorie obnovitelných zdrojů energie.. V tomto projektu se pojednává o její historii, využití, výrobě a budoucnosti. Blíže popisuje její fyzikální a chemické vlastnosti, výskyt ve vesmíru, proč je jí tak málo v poměru ke hmotě, Práce odpovídá na mnoho dalších otázek týkajících se právě antihmoty. 3

4 Antihmota Antihmota je druh hmoty, který je složen z antičástic k běžným částicím, tzn. například antiprotonů a pozitronů místo protonů a elektronů a antineutronů místo neutronů. Projevy antihmoty lze studovat ve vesmíru nebo ve specializovaných experimentech. Dnes je dokonce možné ji vyrobit, přičemž se otevírají nové možnosti fyzice, chemii a energetice. Historie Existenci antihmoty předpověděl v roce 1928 britský fyzik Paul Dirac. Brzy poté (v roce 1932) Američan Carl David Anderson antihmotu skutečně objevil ve srážkách vysokoenergetických částic kosmického záření. Pokud víme, žádná volná antihmota dnes ve vesmíru neexistuje. Astrofyzici se shodují, že těsně po velkém třesku, kdy vesmír vznikl, hmota a antihmota existovaly v rovnováze, tedy že bylo stejně antihmoty, jako hmoty. Co se s antihmotou stalo, je hádankou, která také čeká na konečné vyřešení. Dnešní popis částic hmoty a částic nosičů síly, se nazývá standardní model; tento model není bez slabin, a ačkoli už po více než 20 let úspěšně prochází všemi experimentálními testy, není standardní model úplným popisem přírody. Vlastnosti Antihmota má opačný elektrický náboj než běžná hmota, ale má stejný spin a hmotnost a její chování (např. vůči gravitaci) je stejné jako u běžné hmoty. Jinak řečeno, jsou všechna vnitřní kvantová čísla u antičástic opačná než u částic. To ovšem neznamená, že je antihmota s hmotou vyjma opačných znamének identická. Ve skutečnosti se antihmota v mnoha případech chová od hmoty odlišně. Např. při anihilaci je mezi potomky reakcí vždy o něco více hmoty, než antihmoty. Hovoříme o porušení symetrií. Foton, intermediální částice elektromagnetické interakce, je zároveň i svou antičásticí. Při setkání hmoty s antihmotou nastává anihilace, při které obě formy hmoty zaniknou a přemění se na jiné formy energie (polní částice). Při anihilaci elektronu a pozitronu dojde k uvolnění jejich klidové energie. Jednalo by se o nejúčinnější metodu získávání energie, kdyby se tato během anihilace neuvolnila ve formě jen těžko využitelného záření γ. Energie vzniklých fotonů je určena vztahem Alberta Einsteina, E=mc². 4

5 Tedy při setkání elektronu s pozitronem vznikají 2 fotony o energii přibližně 0,51 MeV. Pokud se elektron s pozitronem navzájem pohybují téměř rychlostí světla, nebo při anihilaci těžších fermionů, vznikají navíc další částice, např. mezony. Vznik a výskyt Antičástice vznikají v přírodě běžně materializací kosmického záření (např. při vzájemných kolizích s hmotou). Mají však zpravidla krátkou životnost, neboť rychle anihilují s okolní hmotou. Hvězdy, galaxie, ani jiné objekty tvořené z antihmoty zatím nebyly pozorovány. Anihilace hmoty s antihmotou je považována za jednu z možných příčin vzniku záblesků gama záření (GRB). V počátečních stádiích Velkého třesku vznikala velká množství hmoty i antihmoty. Nicméně veškerá vzniklá antihmota anihilovala s většinovou částí hmoty. Vědci dodnes neumí přesně vysvětlit, proč tehdy došlo k nesymetrii při interakcích hmoty s antihmotou a proč převážila hmota. Díky této nesymetrii se zřejmě ve vesmíru nachází pouze hmota. Antihmotu je možné vyrobit i uměle v urychlovačích částic. V urychlovači CERN v Ženevě a ve Fermiho laboratoři v Chicagu se podařilo z antičástic vytvořit atomy antivodíku. V jejich jádrech jsou záporné antiprotony, které jsou obíhány kladně nabitými pozitrony. Obr. 1 schéma vodíku a anti-vodíku 5

6 Význam Při současných znalostech lidstva ji bohužel nelze využít jako nejúčinnější ze známých zdrojů energie, i když při reakci s hmotou uvolňuje energii se stoprocentní účinností (jaderné štěpení je účinné pouze na 1,5 %). Je to dáno naprosto zanedbatelnou účinností lidstvu doposud známé metody výroby antihmoty v laboratorních zařízeních typu FERMILAB nebo CERN. Antihmotu je možné uchovávat v tzv. Penningově pasti, která ve vakuu udržuje elektricky nabité částice v soustavě magnetických polí v bezpečné vzdálenosti od standardní hmoty. Takto lze ovšem uchovávat pouze samostatně antiprotony, anebo pozitrony. Uchování kompletně sestavené antihmoty (jádro s obalem) není tímto způsobem díky její celkové elektrické neutralitě možné. Další zajímavostí je, že na rozdíl od hmoty mají atomy antihmoty částice kladně nabité v obalu a částice záporně nabité v jádru. Může být vytvořen protiklad na jakýkoliv prvek, na jakoukoliv látku, z antihmoty by mohl být zkonstruován celý vesmír. Problémem antihmoty je, udržet ji stabilní, tedy\ zabránit reakci s okolní hmotou. Použití Reakce antihmoty a hmoty má praktické využití ve zobrazovací technice v medicíně v pozitronové emisní tomografii. Během pozitivního beta-rozpadu ztrácejí nuklidy přebytek pozitivního náboje vyzářením pozitronů (protony se stávají neutrony a neutrony jsou vylučovány). Nuklidy s přebytkem pozitivního náboje jsou snadno vyrobitelné v cyklotronu a jsou převážně vyráběny pro medicínské účely. Anihilace Anihilace čili přeměna antihmoty na energii. Proces anihilace hmoty a antihmoty se jeví z hlediska efektivnosti jako ideální zdroj energie. Výhřevnost anihilačního paliva je 100 až 1000 krát větší, než u jaderného paliva. Na druhé straně však nemá anihilace elementárních částic jako zdroj energie praktický význam, jelikož pro vytvoření podmínek, při kterých může anihilace probíhat, je zapotřebí vynaložit daleko více energie, než se při procesu uvolní. Obrovská energie je nutná pro umělé získání antičástic. 6

7 Obr. 2 Diagram znázorňující anihilaci elektronu a pozitronu vzniklého při srážce vodíků. Při anihilaci se uvolňuje energie v podobě gama záření. Antihmota a vesmír Všechna naše pozorování dokazují, že ve vesmíru je více hmoty než antihmoty. Sluneční záření obsahuje částice, ale nikoliv antičástice. Naše galaxie je složená z hmoty, protože záření hvězd obsahuje protony a antiprotony v poměru asi 104:1 a nepozorujeme anihilaci hvězd. Při velmi vysoké teplotě v první mikrosekundě existovalo obrovské množství párů kvarků a antikvarků. Odhaduje se, že připadlo 30 milionů kvarků na 30 milionů antikvarků. Během času hmota a antihmota vzájemně anihilovaly a zůstal malý přebytek hmoty nad antihmotou. 7

8 Závěr Šli jsme ulicemi Kladna a ptali jsme se spoluobčanů co to je vůbec antihmota a popřípadě jsme položili otázku, jaký mají názor na nedávné vytvoření v urychlovači částic. Na 1. Otázku 15 lidí odpovědělo, že vůbec netuší, co to antihmota je, 10 lidí vědělo jen něco málo a jen 6 lidí vědělo co to je. Když jsme se zeptali těch 16 lidí na druhou otázku tak se 8 lidí bojí, že by se mohl proces vytváření antičástic zvrtnout a dojít ke katastrofě a zbytek tj. 8 lidí mělo k urychlovači pozitivní názor jako např. že tím věda pokročila krok dopředu atd. Myslíme si, že antihmota má v budoucnu mnohá využití, ať už ve fyzice nebo chemii a hlavně se mimo jiné předpokládá, že se bude používat jako palivo pro vozidla a raketoplány. Antihmota by mohla v budoucnu nahradit mnohé současné neobnovitelné nebo obnovitelné zdroje energie. Zdroje wikipedie.cz google.cz (obrázky) odmaturuj.cz 8