Werkstuk Scheikunde

Geschreven door:	Wombat [meer]
Datum ingestuurd:	8 juni 2001
Niveau:	5 vwo
Woorden:	2125
Opvragingen:	6328 (58 deze maand)
Waardering:	Currently 3.25/5 1 2 3 4 5 3.3/5 (48 stemmen)

Download dit verslag in PDF-formaat

Antimaterie?

Elk elementair deeltje bezit een uit antimaterie bestaande partner. Bij de antimaterie is de lading precices tegenovergesteld. Een proton wordt een negatief deeltje, anti-proton genoemd, en het elektron wordt positief, positron. Het is mogelijk dat er in ons heelal sterrenstelsels voorkomen die volledig zijn opgebouwd uit antimaterie.

Geschiedenis

De meest fascinerende ontdekking van de fysica was dat er in de natuur ook antideeltjes bestaan. Het was de beroemde Engelse fysicus Dirac die het eerst de voorspelling deed dat er deeltjes bestaan met dezelfde massa als het elektron maar met tegenovergestelde positieve lading. Deze deeltjes - nu positronen genaamd - zijn de antideeltjes van de negatieve elektronen.
Het bestaan van het positron werd in 1932 experimenteel vastgesteld door de Amerikaanse fysicus Anderson, en in datzelfde jaar werd door de Engelse fysicus Chadwick het bestaan van het neutron ontdekt. Het heeft tot 1955 geduurd, en de bouw van een speciale deeltjesversneller gevergd, alvorens het antiproton ontdekt werd, een deeltje met precies dezelfde massa als het proton maar met een negatieve lading.

Op de ontdekking van het antiproton volgde een systematisch onderzoek naar de antipartners van alle deeltjes die tot dan toe bekend waren. Niet altijd even eenvoudig werden de experimenten keer op keer met succes bekroond en slaagde men erin voor ieder deeltje telkens weer het bestaan van een antideeltje vast te stellen.
Uit experimenten blijkt dat een deeltje en een antideeltje precies dezelfde massa maar een tegengestelde lading bezitten. Er bestaat een symmetrie tussen deeltjes en antideeltjes. Wat wij precies het deeltje en antideeltje noemen is strikt genomen een kwestie van afspraak en lokaal overwicht, precies zoals de benamingen negatief en positief afspraken zijn.
Wij geven de benaming proton aan het geladen deeltje met een massa van 938 MeV omdat dat nu eenmaal het deeltje is dat wij overwegend in de atoomkernen van het ons onmiddellijk omringende gedeelte van het heelal aantreffen. Dezelfde overweging geldt voor de negatief geladen elektronen.
Het bestaan van antideeltjes opent de mogelijkheid voor het bestaan van anti-atomen, atomen met kernen opgebouwd uit negatieve protonen en neutrale neutronen, waar dan positief geladen elektronen rondom draaien. Het was dan ook voor de fysici geen verrassing om in de loop van 1965 te vernemen dat een groep experimentoren erin geslaagd was een antiproton en antineutron tot een anti-deuterium kern te binden.
Ook zwaardere elementen kunnen uit anti-nucleonen worden opgebouwd. Met dergelijke elementen zou in principe een volledige antiwereld of antimelkwegstelsel kunnen opgebouwd worden, volledig samen gesteld uit antimaterie. In een dergelijke antiwereld zouden de antifysici, gesteld dat ze onze logica willen volgen, onze protonen op grond van hun zeldzaamheid pas later ontdekt hebben en hen de naam van antiproton toegedeeld hebben.
Dit brengt ons tot de zeer interessante vraag: "Waarom domineert precies in onze wereld de materievorm, die wij volgens afspraak de gewone protonen en elektronen zijn gaan noemen met tegengestelde ladingen, zo sterk over de variante antivorm?".
De reden ligt in het feit dat een antideeltje, in contact gebracht met zijn deeltje, onmiddellijk tot een proces overgaat dat annihilatie wordt genoemd. Dit proces zal later besproken worden.

Annihilatie

Annihilatie is een samen verdwijnen van deeltjes en antideeltjes onder emissie van nieuwe meestal lichtere deeltjes. Na het annihilatieproces vindt men de totale energie van het systeem, deeltje plus antideeltje, terug onder de vorm van de massa van de gecreëerde deeltjes en de kinetische energie voor hun beweging. De kracht van een annihilatieproces is heel groot, er komt gemiddeld 1000 maal meer dan de energie die vrijkomt dan bij atoomsplijting.
Zowel de hoeveelheid energie die vrijkomt wegens het verdwijnen van de massa van het antideeltje en de tegenpartner, als de energie die in de eindtoestand nodig is voor de massa van de gecreëerde lichte deeltjes, wordt afgeleid volgens de beroemde Einstein-vergelijking:

E = M * C^2
Wanneer een proton een antiproton ontmoet ontstaat de annihilatie echter via een sterker wisselwerkingsproces en er komen twee of meerdere mesonen vrij. In het geval van een elektron en een positron loopt de annihilatie via een elektromagnetische wisselwerking, omdat dit voor deze deeltjes de sterkste wisselwerking is die ze kunnen voelen. De vrijkomende deeltjes zijn typisch de elektromagnetische quanta.

Bestaat antimaterie daadwerkelijk
Uit de realiteit van deze annihilatieprocessen volgt de verklaring waarom op aarde, of iets algemener in alle stelsels die uit ons materietype zijn opgebouwd, geen stabiele antimaterie wordt aangetroffen. Antimaterie die weliswaar voortdurend door de kosmische stralingsprocessen wordt gecreëerd verdwijnt ook weer onmiddellijk na contact met de gewone materie door middel van annihilatieprocessen. Wil de fysicus hier op aarde op controleerbare wijze antimaterie bestuderen, dan is hij aangewezen op experimenten met deeltjesversnellers, experimenten waarin de rol van de kosmische straling wordt nagebootst en deze antimaterie kortstondig te voorschijn wordt geroepen en bestudeerd.

Er zijn vooral in de afgelopen jaren kosmologische theorieën ontstaan die de mogelijkheid onderlijnen dat er in ons universum, misschien zelfs in ons melkwegstelsel, sterren en/of sterrenstelsels van antimaterie zouden kunnen aanwezig zijn. Ik wil wel vermelden dat de lichtspectra die wij van deze antimateriesterren of sterrenstelsels waarnemen ons niet toelaten een onderscheid te maken met de gewone materie.
Deze theorieën hebben een verklaring voor de wijze waarop tijdens de evolutie van het universum macroscopische hoeveelheden antimaterie uit elkaar werden gedreven en uit elkaar blijven. Zij laten de mogelijkheid open dat er op bepaalde plaatsen in ons universum kleinere hoeveelheden ambi-plasma zijn achtergebleven, een plasmamengsel van antimaterie en materie. In dit mengsel zouden via annihilatieprocessen voortdurend enorme hoeveelheden energie worden vrijgemaakt. Men heeft nagegaan dat deze energie, na een reeks complexe tussenstappen, de biplasmazone hoofdzakelijk zou verlaten via neutrinostraling, energetische gammastraling en radiogolven.
De neutrinostraling is wegens de geringe interactiewaarschijnlijkheid van neutrino's moeilijk detecteerbaar. De gammastraling komt vrijwel niet door de aardse atmosfeer. Radiogolven penetreren echter relatief gemakkelijk door de atmosfeer en kunnen op het aardoppervlak met grote antennen worden opgevangen.
De aantrekkelijkheid van de bovenstaande hypothese schuilt in het feit dat er inderdaad sinds enkele jaren sterren zijn ontdekt die enorme componenten aan radiostraling uitzenden - de zogenaamde Quasars - en dat men binnen het kader van de klassieke fysica geen aanvaardbare verklaring ziet of weet voor de energiebron die deze straling zou voeden. Het is mogelijk dat deze Quasars in feite niets anders zijn dan overgebleven biplasma-Oerstof, en hun energie ontleden aan annihilatieprocessen.

Hoe wordt antimaterie gemaakt?

De zoektocht naar het antiproton verliep moeilijker dan men verwachtte. Om protonen te kunnen onderzoeken zijn grote hoeveelheden energie nodig. Protonen die de vorm geven aan de kern van een atoom hebben een grotere massa dan de elektronen die hen omringen. Om zulke krachten te produceren zijn deeltjesversnellers nodig. Het eerste anti-proton werd in 1955 geproduceerd door de cyclotron, de deeltjesversneller, van Berkeley.

Antimaterie wordt dus gemaakt met behulp van een deeltjesversneller

In het Laboratorium van het "Istituto Nazionale di Fisica Nucleare" in Frascati is 29 september 1997 door de voorzitter van het instituut een persconferentie gehouden over de start met de nieuwe deeltjesversneller DAFNE.
Met dit apparaat neemt het laboratorium weer een belangrijke plaats in bij het experimentele kernfysische onderzoek na de glorietijd in 1960 met de bouw van de eerste ronde versneller voor elektronen en positronen, de "AdA".

Het bouwen van deeltjesversnellers wordt steeds ingewikkelder en duurder. De hogere kosten houden direct verband met onderzoek aan deeltjesbundels met een steeds grotere energie. Een alternatieve en in zekere zin complementaire weg, ligt in de studie van zeldzame fenomenen op lagere energieniveaus, te meten met uiterst precieze versnellers die in staat zijn een zeer hoog aantal botsingen te produceren (hetgeen gepaard gaat met een grote lichtsterkte). DAFNE wijdt als eerste ter wereld (er wordt aan twee andere gewerkt, waarvan één in Japan) deze nieuwe onderzoekslijn in.

Het bestaat uit drie technologisch geavanceerde versnellers. Het ontwerp dateert uit 1990 en in juli van dit jaar werd de bouw beëindigd. De totale kosten bedragen 120 miljard lire (circa 120 mln gulden).

In de DAFNE (Double Annular F Factory for Nice Experiments) produceren de botsingen tussen elektronen en positronen (overeenkomstige antimaterie deeltjes) in het vacuüm zeer kort "zuivere energie". Snel daarna wordt deze energie omgezet in een deeltje, F , dat op zijn beurt vervalt in een paar van deeltjes en antideeltjes, de mesonen. DAFNE is in staat om met een verbazingwekkende frequentie 5000 mesonen/sec te produceren, honderd keer zoveel als de tot nu toe behaalde frequenties met andere methoden. De waarnemingen van het gedrag van deze mesonen geeft aan 250 onderzoekers de mogelijkheid om de fundamentele eigenschappen te meten van de quarks (de bouwstenen van de materie) waaruit de mesonen zijn opgebouwd. Een van de belangrijkste metingen is de studie van de betwiste symmetrie "CP", een fundamenteel onderdeel van het model voor het ontstaan van het heelal, de Big Bang. Deze meting zal worden uitgevoerd met een precisie van één op tienduizend, tien maal nauwkeuriger dan de tot nu toe verrichte metingen. DAF NE is een uitdaging voor alle grote onderzoekcentra ter wereld. Het is ook een aantrekkingspunt voor de internationale wetenschappelijke gemeenschap, die met 18 verschillende buitenlandse instellingen meedoet aan de verschillende experimenten.

De grootste deeltjesversneller van het CERN heeft een ring met een lengte van 27 km. De bundel loopt door een pijp die bestaat uit rechte en boogvormige stukken, waarin de bundel magnetisch wordt afgebogen. Behalve magneten om de bundel door de ring te sturen, zijn er ook speciale magneten om de bundel te focusseren.

De reden dat de ring zo groot is, is dat de deeltjes iedere keer dat ze de bocht om gaan energie verliezen door straling. Als de deeltjes van richting veranderen worden ze versneld, en iedere geladen deeltje dat versneld wordt zendt straling uit. Hoe hoger de snelheid en hoe scherper de bocht, hoe meer straling er wordt uitgezonden. Om dit verlies binnen de perken te houden was het nodig een erg grote ring te bouwen. De reden om toch een ring te bouwen in plaats van een lange rechte versneller is dat voor de afzonderlijke deeltjes de botsingskans per omloop maar klein is, en in een ring kunnen de overgebleven deeltjes gewoon door blijven lopen.

De woordvoerder van de internationale onderzoeksgroep, de Duitse kernfysicus Walter Oerlert, ziet het groot. ,,Dit is de eerste stap in het antiperiodiek systeem,'' verklaarde hij. In princiep is het inderdaad mogelijk van alle 111 bekende elementen uit de tabel van Mendeljev een anti-versie te maken, maar voorlopig staan de onderzoekers nog niet verder dan antiwaterstof, het eenvoudigste anti-atoom.

Onderzoekers kunnen wel antideeltjes maken, bij botsingen tussen deeltjes in deeltjesversnellers, maar die antideeltjes vervolgens een tijdje bewaren is geen eenvoudige klus. Enkele grammen antimaterie in contact met enkele grammen gewone materie, bij voorbeeld de wand van het doosje waar je ze in stopt, volstaan voor een explosie met de kracht van een atoombom - meteen de reden waarom antimaterie in de sciencefiction populair is als uiterst krachtige raketbrandstof; de Enterprise uit Star Trek wordt er bij voorbeeld mee aangedreven.
Antimaterie bewaren lukt alleen met héél kleine hoeveelheden, door de deeltjes in magnetische velden gevangen te houden, zonder dat ze ook maar iets raken. In sommige deeltjesversnellers kunnen antideeltjes zo urenlang bewaard worden, terwijl ze, voortgestuwd door elektrische en magnetische velden voortdurend met bijna de lichtsnelheid rondjes draaien.
Die snelheid is een probleem. Bij alle methodes om antideeltjes te maken, krijgen die meteen een grote snelheid mee en dat maakt het vormen van anti-atomen bijzonder moeilijk. Een antiproton en een anti-elektron, die allebei met bijna de lichtsnelheid door het laboratorium razen, verbinden zich niet gemakkelijk tot een antiwaterstofatoom.
Antimaterie-onderzoekers zijn daarom niet zoals andere deeltjesfysici voortdurend op zoek naar hogere energieën en krachtiger versnellers; ze hebben liever traag bewegende deeltjes. De Duits-Italiaans-Zwitserse onderzoeksgroep die het eerste anti-atoom maakte, gebruikte de Low Energy Antiproton Ring (Lear) van Cern, het Europees onderzoekscentrum voor deeltjesfysica. In een deeltjesbundel die mààr met negentig procent van de lichtsnelheid bewoog (270.000 kilometer per seconde, een slakkengang naar Cern-normen), brachten ze antiprotonen en positronen samen.
In de vijftien uur, verspreid over drie weken, die het experiment duurde, lukte het negen keer om zo een anti-atoom te vormen. Telkens maar voor eventjes, want tien meter verder en dertig miljardste van een seconde later stootten de anti-atomen op een detector, waar ze door de aanraking met gewone materie geannihileerd werden. Ze verraadden zich door de daarbij gevormde gammastraling.

De komende jaren hopen de onderzoekers anti-atomen te maken die traag genoeg bewegen om ze rustig te kunnen bestuderen. De natuurkundigen willen hun theorieën over de natuurkrachten en de bouwstenen van de materie graag toetsen aan een heel nieuwe soort materie.
In het bijzonder zouden ze graag weten of antiwaterstofatomen precies dezelfde soort licht uitzenden als gewone waterstofatomen. Volgens de meest gebruikelijke theorieën zou dat het geval moeten zijn - zodat de onderzoekers hopen dat ze het tegendeel vaststellen. Zelfs het kleinste verschil tussen het licht van een antiwaterstofatoom en het licht van een gewoon waterstofatoom, zou betekenen dat de theorieën herschreven moeten worden.
Maar dan moet er natuurlijk wel geld zijn voor de experimenten.

Plaatjes zijn te vinden op:

http://www.science.uva.nl/onderwijs/wns/onderwijsCD/sterrenkunde/syllabus/Plaatjes/voyager.jpg
http://gallery.uunet.be/Lode.Stevens/abom.JPG
http://www.fnal.gov/pub/about/tour/images/tevatron.jpg
http://www.fnal.gov/pub/about/experiments/99-912-12.jpg
http://www.fnal.gov/pub/about/tour/images/d_zero.jpg