13 ноември 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Антиматерията в реалния свят

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 29 ноември 2015 в 10:0058393
Снимка: planetxnews.com

Антиматерията е обичана тема във фантастичната литература. Звездолети преодоляват огромни разстояния, тласкани от енергия, резултат от анихилация на материя и антиматерия. Фантастични оръжия унищожават тълпи от врагове, уникални строителни машини пробиват огромни тунели с помощта на антиматерия.

Не знам, колко от читателите знаят, но антиматерията и в наше време се използва за практични цели, а не само в изследователските лаборатории. Но най-напред да си припомним, какво е това антиматерия в реалния свят, извън фантастичните произведения.

На много места може да се прочете, че антиматерията е изградена от античастици, които имат същите свойства като съответстващите им частици, но са с противоположен електрически заряд. Я да проверим „каталога“ на най-популярните сред неспециалистите частици.

Така, имаме електрон, античастица – позитрон. Има същата маса и други свойства, но е с единица положителен заряд. Следва протон и антипротон. Протонът е положително зареден, антипротонът е със заряд –1. Нататък: неутрон–антинеутрон. Какво стана тук? Неутронът е електрически неутрален. От там идва и името му. А антинеутронът? Също. Кое тогава му е противоположно на неутрона? Оказва се, че има нещо различно и това е така нареченият барионен заряд. А той е свързан с частиците, които изграждат и протоните, и неутроните – кварките.

Хипотезата, че познатите елементарни частици не са елементарни, а се състоят от кварки е била предложена от американския физик Мъри Гел-Ман през 1964-а година. Той е предположил, че протоните и неутроните се състоят от по три кварка.

Мъри Гел-Ман. Източник: wikimedia 

Четири години по-късно, през 1968-а година, с помощта на Линейния ускорител в Стандфорд кварките са били действително открити.

Гел-Ман смятал, че кварките са 3 вида. Оказало се, че в протона и неутрона има два вида кварки, наречени горен и долен, а общо кварките са 6 вида. Останалите видове кварки, носещи необикновените имена странен и чаровен, красив и истинен (тия двата напоследък по често се срещат в литературата като top и bottom кварки) съществуват само при много високи енергии.

Който е внимавал в часовете по физика ще се сети, че зарядът на протона (и на електрона) се смята за единичен. Тогава, щом протонът е изграден от кварки излиза, че те имат дробен заряд. Това наистина е така. Протонът е изграден от два горни кварка със заряд +2/3 и един долен, със заряд –1/3. Сумарният заряд става единица.

Неутронът съответно е изграден от един горен и два долни кварка, като сумарният заряд става нула.

Илюстрация: Rolf Landua/TED 

Антипротонът и антинеутронът от своя страна се състоят от същите по брой антикварки – антипротонът от 2 горни и един долен антикварка, антинеуторнът – един горен антикварк със заряд –2/3 и два долни антикварка със заряд +1/3. Така че, наистина античастиците имат противоположен заряд спрямо сътоветните частици, когато говорим за фундаментални частици. За сега за такива се смятат кварките, електроните и електронното неутрино, при ниски енергии, като тези в света, който познаваме. При високите енергии освен другите четири кварка, които споменах, на електрона сътоветства мюон във среден енергиен режим, съответно мюонно неутрино, а във висок енергиен режим – тау частица, или таон и тау неутрино. Всички тези частици поне за сега се считат за неделими.

Кварките и антикварките имат други характеристики, квантови числа със странни названия като странност и цвят, които са обект на изучаване на сложна наука с название квантова хромодинамика. От тези характеристики да се спрем за малко само на „цвета“. Това наименование е избрано по аналогия с трите основни цвята – червен, син и зелен, които заедно правят белия цвят. Така и кварките могат да са в три „цвята“, като кварките с различен цвят се привличат. В една стабилна частица може да има само три кварка, всеки с различен цвят, така че частицата да е „бяла“. Комбинация между два кварка може да има само между кварк и антикварк , които образуват кратко живеещи частици.

И да се върнем на барионния заряд, по който, както споменахме, се различат неутронът и антинеутронът.

Барионният заряд е равен на броя на кварките минус броя на антикварките в частицата, разделени на 3, или:

Където  е броят на кварките, а  – броят на антикварките в частицата. Ясно е в такъв случай, че барионният заряд за неутрона ще е единица, а за антинеутрона: –1. Има и по-екзотични частици, мезони, които се състоят от кварк и антикварк.

Кварките са много интересни обекти. Те демонстрират връзката между материя и енергия. Оказва се, че кварките не могат да съществуват разделени. Когато се опитваме да разделим два кварка в един момент, енергията която използваме се превръща в два нови кварка. На мястото на първите два, получаваме нови комбинации от кварки.

Виж, електроните не се състоят от кварки. Те са самостоятелни частици. Античастиците им са позитроните – частици със същата маса като електроните, но с противоположен електричен заряд. Също и противоположен лептонен заряд – друга характеристика на частиците. Кварките, електроните и неутриното се смятат поне за сега за неделими частици. Има хипотези, че и те са съставени от други частици, но за сега няма потвърждение.

И сега, след това кратко въведение в сложния свят на елементарните частици и антиматерията, да видим, къде тя намира приложение извън лабораториите.

От богатия набор от античастици, за сега за практически цели се използват само позитроните. Е, не в позитронни мозъци, каквито Айзък Азимов е смятал, че ще бъдат изградени някога, през средата на 20-и век. Вижда се, че и добре познатите ни компютри, работещи с електрони вече прекрачват границата, правеща изкуствения интелект неразличим от естествения.

Позитрони се използват за откриване на дефекти в материалите в случаи, когато трябва да се избегне повреждането на материала, чрез вземане на проба от него. Един от методите за неразрушителна дефектоскопия е позитронната спектроскопия. В какво се състои методът? Изследваният материал се облъчва с позитрони. Позитроните анихилират с електроните в материала и се излъчват гама кванти, които се засичат с детектори. Времето на живот на позитроните в материала е известно. Ако има обаче дефекти, някои позитрони се захващат от тях и времето им на живот се удължава. Тоест, продължават да се излъчват гама кванти и след като е минало времето, за което позитроните би трябвало да са анихилирали напълно в материал без дефекти.

В зависимост от материала, който се изследва, позитроните може директно да анихилират с електроните, например в металите. В други материали може да се получат свързани състояния на позитрона с атоми и молекули, които след време (от порядъка на наносекунди) се разпадат и се излъчват кванти.

В някои случаи, в различни материали може да се получи странно състояние – позитроний, прилично на водородния атом, но вместо протон, ролята на положително заредено ядро играе позитрон. Естествено, позитроният след време от стотина пикосекунди до стотина наносекунди анихилира и квантите излъчени при анихилацията свидетелстват за наличие на различни видове дефекти в материала.

Само информативно да споменем, че както има аналог на водородния атом, състоящ се от електрон и позитрон, наблюдавани са и „молекули“ от позитроний: Ps2 - два „атома“ позитроний се свързват подобно на водородна молекула. Такива странни състояния на веществото са наблюдавани при облъчване на порест кварц с позитрони.

Позитронната анихилация е подходяща за откриване на дефекти в много случаи, когато други методи не могат да се използват. Предимство за нея е, че могат да се изследват всякакви материали, докато други методи, като рентгеновата дефектоскопия или ултразвуковата не са приложими винаги. Основното ѝ предимство обаче е, че с нейна помощ могат да се засекат даже и много малобройни дефекти. Освен това е и сравнително лесно осъществима. Като източник на позитрони се ползват изотопи на натрия 22Na, медта - 64Cu и други нестабилни изотопи, които при разпада си излъчват позитрони.

Сериозен принос в изследването на анихилацията на позитрони и практическото ѝ приложение имат и български учени. В Института по Ядрени изследвания и ядрена енергетика към БАН години наред работеше група по позитронна анихилация, провела многобройни изследвания, чиито постижения са световно признати.

Да, още сме далече от космическите двигатели с антиматерия. И дано никога оръжията от фантастичните книги не станат реалност. Но като виждаме, даже такава екзотична област от човешкото познание, като антиматерията е намерила вече практическо приложение. Сигурно в бъдеще областите в които ще се използват античастици ще се увеличат.

Както споменах преди, Бета функцията на Ойлер е намерила физическо приложение около 200 години след откриването си, в Струнната теория.

Наблюденията на Карл Лампланд изведнъж станали изключително необходими на екипа на New Horizons, около 60 години след смъртта на астронома.

Германият става ценен елемент за електрониката 70 години след откриването му.

Неодимът и Самарият десетилетия са смятани просто за екзотични елементи. Днес се ползват за създаване на мощни постоянни магнити.

Никога не се знае предварително, кога кое откритие, теория или хипотеза ще се окажат необходими. Често дадено откритие може да не се използва пряко, но е в основата на много други, които намират практическо приложение. За това науката трябва да се развива комплексно, а призивите за инвестиране само в определени области са пагубни.

Инвестициите в популяризирането на науката са не по-малко важни. Живеем в свят, в който фантастиката става реалност. Постиженията, които има човечеството във всички области на знанието са невероятни. За съжаление повечето хора не си дават сметка за тях и не ги ценят. За това популяризирането на знанието е крайно необходимо.


Препоръчани материали
vmv 30.11 2015 в 11:50 3
+ 1
- 7
Нищо лично - затова съм казал "Добре!" :-)... и, че работи кварковата хипотеза...
Тълкуванията не са реалистични - не знам защо - дори в началото казваха "океан, пълен с кварки на дъното" и др. търсения на свободни кварки. После се поправиха до днешна интерпретация..., но това пък, води до невъзможни усложнения и "вдигане" на изпитващата енергия. (излишно, според мен)
Анихилират Характеристики на частици (полеви характеристики на частици, а и фотоните им за връзка - обменните), които "клатят" ЕМП. Изпитател – „хваща“ и вижда само разликите! от тези промени.Това от отдавна е доказано.
Затова е възможен водородът! - не анихилират самите частици, а „зарядът“ им. Протонът си е протон, а и електронът си е електрон ... във водорода. Само тия частици са устойчиви с/у разпад – за цялата Вселена. Всички др. Частици с анихилацзия на полевите им характеристики дават фотони (полева структура) и др. Вещеви обекти – др. Частици.
...
Божо 29.11 2015 в 20:10 2
+ 9
- 0
Много объркан коментар. :)
Има и нещо вярно в него - кварките не могат да се наблюдават пряко, а са открити с косвени методи, но пък следите върху фотоплаките са напълно реални и отговарят точно на теоретичния модел. Ако някога бъдат наблюдавани нови явления, несъвместими с кварковия модел, той ще се промени, като най-вероятно ще остане частен случай на новата теория.
А свободни кварки наистина няма, освен в особено състояние, наречено кварк-глуонна плазма. Всъщност в случая "свободни" трябва да бъде в кавички, защото кварките не могат да се отделят от плазмата, но в нея съществуват необединени в частици. Такова състояние на материята е наблюдавано в Брукхейвън и в ЦЕРН. Но това е извън темата на статията.
Колкото до полетата - анихилират частици. Ако анихилираха полета, щяхме да живеем в една доста по-различна вселена.
Колкото до протона и електрона - това го оставям без коментар.
vmv 29.11 2015 в 11:56 1
+ 5
- 15
Добре!
Но:
„...Четири години по-късно, през 1968-а година, с помощта на Линейния ускорител в Стандфорд кварките са били действително открити.
..."
Не са "открити" кварки, а са наблюдавани в "състава" на частица. (Затова и няма свободни кварки и ... Което действие щеше да покаже, че е наистина откриване на кварки)
Наблюдавано е: "излъчена" смесена вълна от: разликата на изпитващите фотони с вътрешни образуващи фотони на частицата. Проявява се като "очички" на частицата при облъчване..., а това, си е баш придобит белег, колективно свойство, проявяващо се при намеса на изпитател.
Тоя изпитател си измисля кваркова хипотеза с мат.модел...
И матмоделът работи добре, но не ОБЯСНЯВА реалността.
А, тя - реалността е: Не анихилират частици, а полета. Така става ясно – „античастицата“ на електрона е протона, но поради огромната разлика в други физически характеристики, образуват водород. Характеристикити им „заряд“ –анихилират, но пък..., става Вселена – реално.
 
Още от : Физика
10 ноември 2019 в 10:20
10 ноември 2019 в 10:200
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.