Referat Antimaterie - Entdeckung - Entstehung und Herstellung

Antimaterie

Aufbau:

Materie besteht bekannterweise aus Elementarteilchen. Weniger bekannt ist aber, dass alle Elementarteilchen (Elektronen, Protonen, Neutronen) entsprechende Antiteilchen haben. Diese Antiteilchen haben dieselbe Masse und denselben Spin wie ihre zugehörigen Teilchen. Alle Ladungen haben den gleichen Betrag, jedoch das umgekehrte Vorzeichen.

Als Beispiel: Das Elektron hat eine negative Ladung. Das Antiteilchen des Elektrons wird Positron genannt, und hat dieselben Eigenschaften wie das Elektron außer dem Ladungsvorzeichen, es hat nämlich eine positive Ladung.

Aus diesen Antiteilchen kann man wiederum Antiatome und Antimaterie herstellen.

Ein Antiatom ist ein umgekehrtes Atom mit einem negativen Kern und einer positiven Hülle. Es besteht aus einem Atomkern aus Antiprotonen und Antineutronen, der von Positronen umkreist wird.

1996 gelang es erstmals Forschern bei CERN ("Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire", heißt soviel wie: Europäisches Kernforschungszentrum), ein Antiatom herzustellen. Sie stellten aus einem Antiproton (Antiteilchen eines Protons) und einem Positron ein Antiwasserstoffatom her.

In der Praxis ist das jedoch schwierig, weil Antimaterie sofort vollständig zu Energie zerstrahlt, wenn sie mit "normaler" Materie in Berührung kommt. Diesen Vorgang nennt man Annihilation:

Entdeckung:

Paul Dirac, ein englischer Physiker und Mathematiker kam 1928 auf die Idee, Einsteins Relativitätstheorie und die Quantentheorie zu kombinieren. Wie diese Formel genau aussieht, darauf möchte ich jetzt nicht eingehen, wichtig ist nur, dass als Ergebnis für die Energie positive und negative Lösungen möglich waren, was bis dahin nicht der Fall war. Er ging davon aus, dass es zwei Energieniveaus gibt, ein Positives und ein Negatives. Zwischen diesen Zonen ist ein Bereich, in dem sich keine Elektronen befinden und sich auch nicht befinden können. Es ist jedoch möglich, durch Zuführen von Energie, ein Teilchen mit negativer Energie auf ein Niveau der Teilchen mit positiver Energie zu befördern. Diese Theorie wurde "Löchertheorie" genannt, war aber sehr umstritten, weil man sie nicht beweisen konnte.

1932 machte ein Amerikaner namens Carl Anderson eine Entdeckung, die bewies, dass Dirac's Theorie richtig sein musste. Er untersuchte kosmische Strahlung und beobachtete dabei ein Teilchen, das dieselbe Masse wie ein Elektron hatte, aber positiv geladen war. Damit hatte er das erste Antiteilchen, ein Positron, entdeckt.

Entstehung und Herstellung:

Paul Diracs Löchertheorie besagt, dass Materie- und Antimaterieteilchen immer paarweise entstehen müssen. Deshalb geht man davon aus, dass während des Urknalls Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden ist.

Das könnte wiederum bedeuten, dass es eine große Masse von Antimaterie in unserem Universum gibt, die möglicherweise Galaxien wie die unsere bildet. In diesen Antigalaxien könnte es Planeten wie unsere Erde geben, auf denen es Leben wie auf der Erde gibt.

Unsere Umgebung besteht aus 'normaler Materie', allerdings kommt Antimaterie in der Stratosphäre, in der sogenannten Höhenstrahlung oder kosmischen Strahlung vor. Die Höhenstrahlung besteht aus Teilchen mit sehr hoher Geschwindigkeit (zum Beispiel Elektronen oder Protonen, die sich mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegen) oder sehr hochenergetische Photonen (Lichtteilchen). Wenn diese Teilchen auf ein Teilchen in der Atmosphäre treffen, wird dabei soviel Energie frei, dass Antiteilchen entstehen können.

So ähnlich wird seit den 50er Jahren Antimaterie in Teilchenbeschleunigern hergestellt. Man beschleunigt zum Beispiel Elektronen oder Protonen so stark, dass sie fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegen und zerschmettert sie auf Atomkernen. Dabei entsteht Antimaterie.

Es wurde beobachtet, dass nie ein Teilchen oder Antiteilchen alleine entsteht, sondern immer ein Teilchen-Antiteilchen-Paar.

Manche Teilchen, wie zum Beispiel Photonen, haben kein zugehöriges Antiteilchen, weil sie nicht geladen sind und aus keinen geladenen Teilchen bestehen. Ein Photon ist sozusagen sein eigenes Antiteilchen.

Mit den uns zur Verfügung stehenden Mitteln können wir Antimaterie nur in sehr geringen Mengen herstellen. In den letzten 10 Jahren wurden in den Teilchen-beschleunigern von CERN  täglich Milliarden von Positronen hergestellt, was aber insgesamt nur etwa 1 Milliardstel Gramm Antimaterie bedeutet. Das Problem dabei ist aber nicht nur die Herstellung sondern hauptsächlich die Aufbewahrung.

Man kann ein Antiteilchen nicht in einem normalen Gefäß aufbewahren weil das Gefäß ja aus Materie besteht und das Teilchen sofort zerstrahlen würde.

Deshalb werden sogenannte "magnetische Flaschen" verwendet, um Antiteilchen aufzubewahren. Diese bestehen aus einem Vakuum und zusätzlich aus einem Magnetfeld um die Teilchen daran zu hindern die Begrenzungswand zu berühren. Das funktioniert aber nur mit den geladenen Positronen und Antiprotonen, nicht mit Antineutronen und Antiwasserstoff.

Es gibt bereits Ideen, was man in Zukunft alles mithilfe von Antimaterie erreichen könnte. Zum Beispiel wäre die zerstörerische Wirkung einer Atombombe nichts gegenüber einer Bombe, welche sich die Energie der Annihilation zu Nutze macht.

Es wird schon lange darüber nachgedacht, ob man mit Hilfe von Antimaterie möglicherweise Waffensysteme herstellen oder Triebwerke für die Raumfahrt konstruieren könnte. Momentan ist das jedoch unrealistisch, weil man Millionen Jahre brauchen würde, um die benötigte Menge zu produzieren.

Quellen:

Brockhaus Naturwissenschaften und Technik

Internetquellen:

https://www.nasa.gov/

            https://public.web.cern.ch/public/

            https://www.pm-magazin.de/de/wissensnews/wn_id391.htm

            https://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/sm_et/sm_et_03.html