Одной из самых интересных задач, стоящих перед современной наукой, является разгадка тайн устройства Вселенной. Известно, что в мире все состоит из материи или вещества. Но, по предположениям ученых, в момент Большого взрыва образовалось не только вещество, из которого состоят все объекты окружающего мира, но и так называемое антивещество, антиматерия и, следовательно, античастицы вещества.
Античастица электрона
Первой античастицей, чье существование было предсказано, а потом доказано научно, стал позитрон.
Чтобы понять происхождение этой античастицы, стоит обратиться к строению атома. Известно, что ядро атома содержит протоны (положительно заряженные частицы) и нейтроны (частицы, не имеющие заряда). По его орбитам обращаются электроны – частицы с отрицательным электрическим зарядом.
Позитрон – античастица электрона. Она обладает положительным зарядом. В физике символ позитрона выглядит таким образом: е+ (для обозначения электрона используется символ е-). Появляется эта античастица в результате радиоактивного распада.
Чем позитрон отличается от протона?
Заряд позитрона положительный, поэтому его отличие от электрона и нейтрона очевидно. Но протон, в отличие от электрона и нейтрона, также обладает положительным зарядом. Некоторые ошибаются, полагая что позитрон и протон – по сути одно и то же.
Разница в том, что протон – это частица, часть вещества, материи, составляющей наш мир, входящая в состав каждого атомного ядра. Позитрон – античастица электрона. Она не имеет с протоном ничего общего, кроме положительного заряда.
Кто открыл позитрон?
Впервые существование позитрона предположил английский физик Поль Дирак в 1928 году. Его гипотеза состояла в том, что электрону соответствует античастица с положительным зарядом. Кроме того, Дирак высказал предположение, что, встретившись, обе частицы исчезнут, выделив при этом большое количество энергии. Еще одной его гипотезой было то, что существует обратный процесс, при котором появляются электрон и частица, обратная ему. На фото показаны треки электрона и его античастицы
Несколько лет спустя физик Карл Андерсон (США), фотографируя частицы при помощи камеры Вильсона и изучая их треки, обнаружил следы частиц, похожих на электроны. Однако следы имели обратное искривление от магнитного поля. Следовательно, заряд их был положительным. Отношение заряда частицы к массе было таким же, как у электрона. Таким образом, теория Дирака подтвердилась экспериментально. Андерсон дал этой античастице название "позитрон". За свое открытие ученый был удостоен Нобелевской премии по физике.
Связанная система электрона и позитрона получила название "позитроний".
Аннигиляция
Термин "аннигиляция" переводится как "исчезновение" или "уничтожение". Когда Поль Дирак предположил, что частица электрон и античастица электрона исчезнут при столкновении, имелась в виду именно их аннигиляция. Иными словами, этим термином описывается процесс взаимодействия материи и антиматерии, приводящий к их взаимному исчезновению и выбросу энергетических ресурсов в ходе данного процесса. Как такового уничтожения материи при этом не происходит, она лишь начинает существовать в другой форме.
В ходе столкновения электрона и позитрона вырабатываются фотоны – кванты электромагнитного излучения. Они не имеют ни заряда, ни массы покоя.
Существует и обратный процесс, называемый "рождение пары". В этом случае частица и античастица появляются в результате электромагнитного или иного взаимодействия.
Даже при столкновении одного позитрона и одного электрона выбрасывается энергия. Достаточно представить, к чему приведет столкновение множества частиц с античастицами. Энергетический потенциал аннигиляции для человечества неоценим.
Антипротон и антинейтрон
Логично предположить, что раз античастица электрона существует в природе, то и у других фундаментальных частиц должны иметься античастицы. Антипротон и антинейтрон были обнаружены в 1955 и 1956 годах соответственно. Антипротон имеет отрицательный заряд, антинейтрон заряда не несет. Открытые античастицы называются антинуклоны. Таким образом, антивещество имеет следующий вид: ядра атомов состоят из антинуклонов, а по орбите вокруг ядра обращаются позитроны.
В 1969 году в СССР был впервые получен изотоп антигелия.
В 1995 в Церне (европейской лаборатории ядерных исследований) был выработан антиводород.
Получение антиматерии и ее значение
Как было сказано, античастицы электрона, протона и нейтрона способны аннигилировать со своими исходными частицами, вырабатывая при столкновении энергию. Поэтому исследования данных явлений имеют огромное значение для различных сфер науки.
Получение антивещества является крайне долгим, трудоемким и затратным процессом. Для этого строятся специальные ускорители частиц и магнитные ловушки, которые должны удерживать полученное антивещество. Антиматерия является самой дорогой субстанцией на сегодняшний день.
Если бы производство антивещества удалось поставить на поток, то человечество было обеспечено энергией на многие годы. Кроме того, антиматерию можно было применять для создания ракетного топлива, ведь, по сути, получалось бы это топливо попросту из контакта антиматерии с любым веществом.
Угроза, исходящая от антивещества
Как и многие открытия, сделанные человеком, обнаружение античастиц электрона и нуклонов может поставить людей перед серьезной угрозой. Всем известна мощь атомной бомбы и разрушения, которые она способна нанести. Но мощность взрыва при контакте вещества с антивеществом является колоссальной и во много раз превосходит силу атомной бомбы. Таким образом, если однажды будет изобретена "антибомба", то человечество поставит себя на грань самоуничтожения.
Какие выводы можно сделать?
- Вселенная состоит из материи и антиматерии.
- Античастицы электрона и нуклонов называются "позитрон" и "антинуклоны".
- Античастицы имеют противоположный заряд.
- Столкновение материи и антиматерии приводит к аннигиляции.
- Энергия аннигиляции столь велика, что может как служить на благо человеку, так и угрожать его существованию.
