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Titel / Referat: Antimaterie
Schlagwörter: Einstein; Quantenmechanik; Quantenphysik; Anti - Materie; Anderson; 1928; Relativitätstheorie Hausaufgabe, Referat
Themengleiche Dokumente anzeigenDie Antimaterie ist nichts geheimnisvolles.
Genauer gesagt, sie war einmal
etwas geheimnisvolles, allerdings nur fuer 4
oder 5 Jahren.
Nachdem Einstein seine Relativitaetstheorie
aufgestellt und die
Quantenphysiker die Quantenmechanik
aufgestellt hatten, gab es Versuche,
diese beide Theorien, die eine im Bereich des
Makrokosmos gut bewaehrt und
das andere im Bereich des Mikrokosmos, zu
vereinigen. Der erste Erfolg
gelang Paul Dirac.
Dirac ist ein englischer Physiker und ein
unglaublich brillianter
Mathematiker. Dirac vollendete 1928 eine
Theorie, die die Quantenphysik
und die spezielle Relativitaetstheorie
zusammenbindet und die bis heute
ihre Gueltigkeit bewahrt (trotz viele
Entdeckungen, die erst danach
kamen). Dirac bemerkte in seine neue Theorie,
dass es Loesungen gibt, die
auf dem ersten Blick physikalisch nicht
sinnvoll erscheinen.
Um diese Sachverhalt zu verdeutlichen, lassen
wir mal mit einer ganz
einfachen Aufgabe einen Vergleich machen: Eine
quadratische Gelaender hat
eine Flaeche von 4 km^2, wie gross ist die
Seitelaenge? 2km sagt der
Schueler. Naja, der peinlich genauer
Mathematiker wuerde sagen plusminus
2km. Aber offensichtlich gibt es fuer die -2km
keinen physikalischen Sinn,
also nimmt man die +2km als
Loesung.
So aehnlich war nun auch Dirac ergangen. Nun
war Dirac ein jener Menschen,
die der Mathematik sehr vertrauen. Wenn die
Mathematik schon so eine
Loesung liefert, dann muss sie in der Natur
auch einen Sinn haben, sagte
er sich. Und so sah er, dass man diese Loesung
als eine Art Anti-Materie
betrachten kann.
Diese Anti-Materie haben mit der Materie fast
alles gemeinsam, die Masse,
die Energie, das Verhalten, die Ladungsmenge,
nur nicht die
Ladungsvorzeichen. Ein Stueck Anti-Materie,
die etwa ein Elektron
entspricht, wuerde als nicht etwa eine
Minuselementarladung besitzen,
sondern eine
Pluselementarladung.
Nun hat bis 1928 noch keiner ein Antimaterie
gesehen, so sahen viele
Physiker auch diese Spekulation von Dirac sehr
skeptisch gegenueber.
Schliesslich sind die Physiker ja keine
Mathematiker und fuer sie
existieren genau das, was auch tatsaechlich in
der Natur nachgewiesen
werden kann.
So verging 4 Jahre und am 2.August 1932 machte
ein Amerikaner namens Carl
Anderson auf dem Sternwarter von Mount Wilson
eine Entdeckung, die besagt,
dass Diracs Spekulation richtig
ist.
Was hat dieser Anderson gemacht? Dieser
Anderson hat die Hoehenstrahlung
untersucht. Damals gab es noch keine
Teilchenbeschleuniger, und die
Physiker wussten auch noch nicht, wie man so
richtig hochenergetische
Teilchen erzeugen kann. Aber damals wusste man
schon von Hoehenstrahlung,
die wurde naemlich noch frueher durch
Hoehenbaloons mit entsprechenden
Geraeten an Board entdeckt. Nun sagten die
Physiker, na gut, wenn wir noch
keine Teilchenbeschleuniger zu bauen wissen,
koennen wir doch die Natur
bedienen. Also nimmt man die Teilchen zur
Untersuchung, die von der
Hoehenstrahlung kommen.
Da man nie so richtig weisst, wann denn ein
Teilchen ankommt, und das
Warten darauf zu langweilig ist, ueberlaesst
der faule Mensch das Warten
ein Photoapparat. Bei Anderson wurde ein
Nebelkammer benutzt, der von
Bleiplatten durchtrennt sind, und daneben ein
Kamara. Parallel zum Kamara
ist noch ein magnetisches Feld geschaltet.
Wenn ein elektrisch geladenes
Teilchen durch dieses magnetisches Feld
fliegt, dann macht seine Bahn eine
Kruemung. Diese Kruemung haengt von zwei
Groessen ab: die Masse des
Teilchens (genauer gesagt, das Verhaeltnis
Masse/Ladung, da allerdings die
Hoehenstrahlung nur Teilchen mit 1
Elementarladung aufweisen, gibt diese
indirekt den Hinweis auf Masse hin) und die
Geschwindigkeit des Teilchens.
Die Richtung, nach welche Seite die Spur
gekruemt ist, haengt von dem
Vorzeichen der Ladung ab (aber das musst Du
eigentlich schon in der Schule
gehabt haben, von wegen Rechthand-Regel und
so).
An jenem besagten August-Tag nun registrierte
das Kamera von Anderson eine
Spur, die ausserordentlich seltsam ist. Von
der Richtung der Kruemung sah
man, dass es eine positive Ladung war. Da man
damals ausser Elektronen nur
Protonen kennt, wuerde man daraus schliessen,
dass das ein Proton gewesen
sein musste. Allerdings durchdringt die Spur
eine Bleiplatte. Das muss
bedeuten, dass das Teilchen eine sehr hohe
Geschwindigkeit gehabt haben
musste. Wenn das ein Proton waere und wenn
seine Geschwindigkeit so gross
waere, wuerde er aber ein viel groesseres
Kruemungsradius haben als die
auf der Platte. Folglich: das Teilchen, das
diese Spur verursacht hatte,
hat eine viel kleinere
Masse.
Das ist doch was aeusserst merkwuerdiges,
dachte sich Anderson und
beschliess, die Sache genauer zu untersuchen,
so konnte er aus der Spur
vor und nach der Bleiplatte die
Geschwindigkeit des Teilchens bestimmen
und somit die Masse, und siehe da, die Masse
ist genau so gross wie die
des Elektrons. Somit hat Anderson ein
positives Elektron, also ein
Positron, entdeckt. Das war das erste
Anti-Materie-Teilchen, dass je in
der menschliche Geschichte dokumentiert
wird.
Heute kennt man schon so viele Positronen,
dass Photoplatte der
Hoehenstrahlung mit einem Positron-Spur glatt
weggeworfen waere, weil sie
voellig uninteressant
ist.
Nun, wie entstehen die Positronen in der
Hoehenstrahlung (und damit
verbunden auch die Frage, wie macht man
sowas), schliesslich besteht ja
unsere Welt aus Materie. Die Hoehenstrahlung
besteht aus Teilchen mit sehr
hoher Geschwindigkeit (zum Beispiel Elektronen
oder Protonen, die mit fast
Lichtgeschwindigkeit bewegen) oder sehr
hochenergetische Photonen (also
Gamma-Strahlung). Wenn diese Teilchen auf
einem irdisches Teilchen in der
Atmosphaere trifft, dann zerschmettert diese
das irdische Teilchen
buchstaeblich. Daraus wird zuerst einmal eine
riesen Truemmel, die mit
ebenfalls immer noch sehr hohe Geschwindigkeit
bewegen. Dabei koennen die
Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen, ein
hochenergetisches Photon kann
also zum Beispiel in einem Positron und einem
Elektron zerfallen. Das ist
das Umkehrereignis, wie wenn ein Positron
einen Elektron trifft, dann gibt
es ein Lichtblitz. So stellen heutzutage die
Physiker auch in den
Teilchenbeschleunigern Antimaterie her: Man
beschleunigt zum Beispiel
Elektronen oder Protonen so stark, dass sie
fast mit Lichtgeschwindigkeit
fliegen und zerschmettern sie auf Atomkerne,
dabei koennen unter anderem
auch Antimaterie
entstehen.
An sich genommen ist dies inzwischen schon
eine Routine bei den
Hochenergie-Physiker. Wenn zum Beispiel die
Ringe bei DESY oder bei CERN
laufen, werden taeglich milliarden von
Positronen erzeugt.
Diese erzeugte Teilchen fliegen aber ebenfalls
mit sehr hoher
Geschwindigkeit. Diese zu fangen und
abzubremsen, das ist nun eine wahre
Kunst, die ebenfalls eine lange und
wundervolle Entwicklungsgeschichte
hinter sich hat und einige Nobelpreise
hervorgebracht hatte. Vor etwa 5
Jahre war man so weit, dass man Anti-Protonen
so weit abkuehlen konnte,
dass man sie in einem thermoflaschefoermigen
Behaelter in einem Pkw von
der Ostkueste des amerikanischen Kontinents
bis zur Westkueste
transportieren konnte (ich moechte gern
wissen, welche Gefahrengut-
Transport-Tafel das Fahrzeug getragen hatte
:-).
Anti-Protonen oder Positronen sind deswegen
"leicht" zu behandeln, weil
sie elektrisch geladen sind. Elektrisch
geladene Teilchen kann man immer
mit elektrische oder magnetische Kraefte
ablenken, waehrend bei neutrale
Teilchen das schon viel schwieriger ist, zumal
bei den Anti-Teilchen man
sie nicht antasten kann, weil wie vorhin schon
beschrieben, sie sonst in
einem Lichtblitz zerstrahlen. Das ist auch der
Grund, warum die Anti-
Protonen transportiert werden konnten und die
Anti-Wasserstoff-Atome
binnen kurzesten Zeit wieder weg
waren.
Um diese schon recht lange (und doch immer
noch nicht ausfuehrlich genuge)
Mail zu beschliessen, haenge ich noch drei
Literatur-Empfehlungen fuer das
weiterlesen (alle drei aus dem Zeitschrift
"Spektrum der Wissenschaft"):
Einschluss neutraler Teilchen mit
Laserstrahlen (*)
von Steven Chu
1992 / 4 S.68 - 75
Elektrisch neutrale Partikel wie Atome
oder Makromolekuele lassen sich
mittels Laserlicht nahezu vollstaendig
zur Ruhe bringen und gezielt
beeinflussen. Damit eroeffnen sich neue
Anwendungen in Physik und Bio-
chemie. So kann man etwa Gase bis fast
auf den absoluten Nullpunkt
kuehlen, praezisere Atomuhren entwickeln
oder einzelne DNA-Molekuele
strecken.
Kuehlung und Speicherung von
Antiprotonen
von Gerald Gabrielse
1993 / 2 S.44 - 51
Mit einem neuen Verfahren lassen sich
die in Beschleunigern erzeugten
hochenergetischen Antiteilchen der
Protonen abbremsen und einsperren.
Die Untersuchung dieser Partikel
niedrigster Energie liefert die bis-
her genauesten Vergleiche der
Eigenschaften von Materie und Antimate-
rie.
Paul Dirac und das Schoene in der
Physik
von R. Corby Hovis & Helga
Kragh
1993 / 7 S.84 - 90
Sein Leben widmete er der Suche nach
mathematischer Eleganz in den
Naturgesetzen. Geradezu besessen von
dieser Vorstellung gelangen ihm
bahnbrechende Erkenntnisse in der
Quantentheorie -- wie etwa die Vor-
aussage der
Antimaterie.
Ferner das wunderschoene Einfuehrungsbuch in
die Quantenmechanik vom
Spektrum-Verlag: Das
Quantenuniversum.
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