Icon up Overzicht

Antimaterie

Onderwerp: Atoomfysica, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica

Antimaterie klinkt als sciencefiction, maar de natuur overtreft soms de wildste fantasieën van sciencefictionschrijvers. Antimaterie bestaat en wordt onder andere in medisch onderzoek toegepast.

De natuurkundige Dirac voorspelde eind jaren '20 uit zijn theorie dat elk deeltje ook een antideeltje heeft. Een uitzondering is het foton, dat zijn eigen antideeltje is. Deeltje en antideeltje hebben dezelfde massa. Maar zijn ze geladen, dan zijn de ladingen tegengesteld. Een positron is een anti-elektron. Het heeft dezelfde eigenschappen als een elektron, maar het is positief geladen. Zo is het antiproton negatief en het antineutron is uiteraard neutraal.

Paarvorming

In 1932 is door Anderson voor het eerst het positron waargenomen. In de figuur kwam het positron van beneden en drong door een 6 mm dikke loden plaat heen. Aan de afbuiging in het magnetisch veld kon men zien dat het om een postief deeltje ging. Een berekening van de rustmassa leverde op dat de massa overeen kwam met die van een elektron.

 

Deeltje en antideeltje ontstaan vaak tegelijkertijd. Dit noemen we paarvorming. Bijvoorbeeld: een energierijk gammafoton kan in de buurt van een atoomkern overgaan in een positron en een elektron.

γ → e+ + e-
(positron-elektron vorming)

De energie die minimaal nodig is voor de paarvorming is te berekenen met de formule van Einstein:

E = m*c2

Na afloop hebben het positron en het elektron een te verwaarlozen bewegingsenergie. De energie van het gammafoton moet dan voldoende zijn om beide rustmassa’s te produceren.

Dus:

E (in Joule) = 2 me*c2
(waarbij: me= rustmassa van elektron (in kg) enc= lichtsnelheid)

Hiermee kun je uitrekenen dat het foton minimaal een energie van 1,02 MeV energie moet hebben. Ook kan men met harde botsingen tussen deeltjes de paarvorming van proton en antiproton teweegbrengen. Het is zelfs gelukt om uit antiprotonen, antineutronen en positronen anti-atomen te vormen.

Annihilatie

Het omgekeerde proces is ook mogelijk. Komen een positron en een elektron bij elkaar, dan kunnen beide overgaan in fotonen. Als er twee fotonen gevormd worden, zullen de twee fotonen vrijwel gelijke energie hebben en in vrijwel tegenovergestelde richting moeten bewegen. Je kunt narekenen dat de energie van elk foton dan 511 keV is. Het proces van wederzijdse vernietiging van deeltje en antideeltje heet annihilatie.

Waarom kan er bij annihilatie niet één foton ontstaan? Bij het annihilatieproces moet in ieder geval voldaan worden aan de wet van behoud van impuls en de wet van behoud van massa en energie. Als een positron en een elektron met lage snelheid naar elkaar toe bewegen, is de totale impuls vrijwel 0. Dus vóór de annihilatie is er vrijwel geen impuls. Dan moet na de annihilatie de totale impuls ook 0 zijn. En dat kan nooit met één foton, want die heeft een impuls van:

E= h*f/c
(Impuls van een foton.)

En h*f is zeer groot! Er zullen waarschijnlijk 2 fotonen ontstaan met even grote impuls (en dus ook even grote energie) in tegengestelde richting.

 

Bij de PET-scan maakt men gebruik van isotopen als 11C, 13N of 15O die alle drie positronstralers zijn. Bij verval zenden ze een positron en een neutrino uit. Je ziet hieronder een voorbeeld.

11C → 11B + e+ + ν

Het positron komt na zeer korte tijd in het menselijk lichaam een elektron tegen. Er vindt annihilatie plaats. De twee gammafotonen die ontstaan, bewegen in tegengestelde richting en worden door de detectoren opgevangen.