Antimateria
Wikipedia
Antimateria eli antiaine on ainetta, joka koostuu antihiukkasista. Antihiukkasella on tavalliseen hiukkaseen nähden vastakkainen sähkövaraus. Esimerkiksi normaali vetyatomi koostuu protonista ja sitä kiertävästä elektronista, kun taas antivety koostuu negatiivisesti varautuneesta antiprotonista ja positiivisesti varautuneesta positronista.
Joutuessaan kosketuksiin normaalin hiukkasen kanssa antihiukkanen ja hiukkanen tuhoutuvat annihilaationa tunnetussa reaktiossa ja molempien energiat vapautuvat sähkömagneettisena säteilynä. Vapautuva energia voidaan laskea kaavalla E=mc².
Koska valonnopeus c on hyvin suuri luku (299 792 458 m/s), vapauttaa pienikin määrä antimateriaa suunnattoman paljon energiaa, jos se hävitettäisiin materialla. Kun gramma antimateriaa ja gramma normaalia materiaa annihiloituvat syntyy 1,8×1014 joulea (180 TJ) energiaa, joka ilmenee säteilynä. Hiroshimaan pudotetussa atomipommissa vapautui 84 TJ (terajoulea) energiaa, eli, kun 1 gramma antimateriaa ja 1 gramma materiaa kohtaavat, vapautuu energiaa enemmän kuin Hiroshiman atomipommista vapautui.[1]
eli noin 180 terajoulea.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Historia
Työskenneltyään relativistisen kvanttimekaniikan parissa vuonna 1928 Paul Dirac oivalsi, että antimateriaa täytyy olla olemassa. Ensimmäinen havaittu antihiukkanen oli elektronin antihiukkanen, positroni. Sen löysi Carl David Anderson vuonna 1932. Antiprotoni havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1955 ja antimateriaa onnistuttiin valmistamaan vuonna 1995 antivetynä ja antideuteriumina.[2] Vaikka antimateriasta saatiin ensimmäisiä viitteitä 1920-luvulla, oli kyseisen aineen olemassaolosta spekuloitu jo aiemmin. Muun muassa brittifyysikko Arthur Schuster spekuloi kokonaisten antimateriasta koostuvien aurinkokuntien olemassaolosta ja vuonna 1898 hän otti käyttöön termit "antimateria" ja "antiatomi".[3]
[muokkaa] Valmistus
Antiprotoneja valmistetaan hiukkaskiihdyttimessä kiihdyttämällä vetyioneja, eli protoneja, lähes valonnopeuteen ja törmäyttämällä esteeseen (yleensä kuparilevyyn tai iridiumiin), jolloin syntyy tavallisten hiukkasten lisäksi antiprotoneja. Antiprotonit ohjataan erilleen protoneista magneettien avulla ja ohjataan magneettikentillä varastorenkaaseen, jossa niitä hidastetaan edelleen magneetein. Osa antiprotoneista tuhoutuu matkalla. Antiprotoneja voidaan käyttää tämän jälkeen antivedyn muodostamista tai muuta tutkimuskäyttöä varten.[2]
Positronien valmistaminen on paljon helpompaa. Niitä saadaan beeta+-hajoamisen (Positroniemissio) tuloksena, esimerkiksi ²²Na:sta.[4] ja ne ohjataan talteen samoin kuin antiprotonit.[2]
Antivetyä on vielä hankalampaa valmistaa kuin yksittäisiä hiukkasia (antiprotoneja ja positroneja). Antivetyä saadaan aikaan ohjaamalla antiprotonit ja positronit samaan tilaan oikeissa olosuhteissa (noin −258 °C:n lämpötilassa). Antivety kuitenkin annihiloituu melkein heti ja se havaitaan sen annihiloitumisesta syntyvästä gammasäteilystä.[5]
Antimateriaa valmistetaan hiukkaskiihdyttimissä tutkimuskäyttöön 1–10 nanogrammaa (gramman miljardisosaa) vuodessa.
[muokkaa] Varastointi
Antimaterian varastointi on hankalaa, koska se pitäisi tehdä tilassa, jossa ei olisi lainkaan materiaa. Antiprotonien ja positronien varastointi on kuitenkin mahdollista magneeteilla varustetussa tyhjiössä ns. magneettiloukussa[6], jossa magneetit pitävät antimaterian keskellä tyhjiötä matalassa lämpötilassa eivätkä päästä sitä kosketuksiin tyhjiön reunojen kanssa.
[muokkaa] Käyttö
Positroneja käytetään tällä hetkellä sekä lääketieteessä PET-kuvauslaitteissa että tutkimuskäytössä esimerkiksi CERNissä ja Fermilabissa.
CERNissä vuonna 2004 antimaterian valmistaminen muutaman pikogramman verran maksoi 20 miljoonaa yhdysvaltain dollaria, josta suuri osa kului energian tuotantoon. Tällä hetkellä myös antimaterian valmistukseen kuluvan energian määrä on suurempi kuin mitä siitä annihiloituessa purkautuu. Valmistamiskustannukset ovat korkeammat kuin antimateriasta saatava hyöty, joten nykytekniikalla sen käyttäminen energianlähteenä ei olisi kannattavaa.
Tulevaisuudessa sitä voitaisiin käyttää esimerkiksi polttoaineena avaruusaluksissa ja lentokoneissa, koska se vapauttaa niin valtavan määrän energiaa annihiloituessaan. Tästä ollaan kuitenkin vielä kaukana.
[muokkaa] Lähteet
- ↑ http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/Spotlight/SpotlightAandD-en.html
- ↑ 2,0 2,1 2,2 http://www.kuninkaantie.espoo.fi/cern/Antimateria.htm (Lukiotasoinen tutkielma)
- ↑ Helge Kragh: Kvanttisukupolvet, s. 23. Terra Cognita, 2002. ISBN 952-5202-53-4.
- ↑ http://www.nurmonlukio.fi/cern/Antimateria.doc
- ↑ http://www.phnet.fi/koulutus/hollola/lukio/projekti/cern/tekstii/antimateria.rtf
- ↑ http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/FAQ.html
