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Antimaterie
Zusammenfassung
Fachbereich: Physik  
Woerter 1300
Kurzbeschreibung Antimaterie Die 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 Quantenmechani...
 
 

Antimaterie

Antimaterie

Die Antimaterie ist nichts geheimnisvolles. Genauer gesagt, sie war einmaletwas geheimnisvolles, allerdings nur fuer 4 oder 5 Jahren.
Nachdem Einstein seine Relativitaetstheorie aufgestellt und dieQuantenphysiker die Quantenmechanik aufgestellt hatten, gab es Versuche, diesebeide Theorien, die eine im Bereich des Makrokosmos gut bewaehrt und das andereim Bereich des Mikrokosmos, zu vereinigen. Der erste Erfolg gelang Paul Dirac.
Dirac istein englischer Physiker und ein unglaublich brillianterMathematiker. Dirac vollendete 1928 eine Theorie, die die Quantenphysik und diespezielle Relativitaetstheorie zusammenbindet und die bis heute ihre Gueltigkeitbewahrt (trotz viele Entdeckungen, die erst danach kamen). Dirac bemerkte inseine neue Theorie, dass es Loesungen gibt, die auf dem ersten Blickphysikalisch nicht sinnvoll erscheinen.
Um diese Sachverhalt zu verdeutlichen, lassen wir mal mit einer ganzeinfachen Aufgabe einen Vergleich machen: Eine quadratische Gelaender hat eineFlaeche von 4 km^2, wie gross ist die Seitelaenge? 2km sagt der Schueler. Naja,der peinlich genauer Mathematiker wuerde sagen plusminus 2km. Aberoffensichtlich gibt es fuer die -2km keinen physikalischen Sinn, also nimmt mandie +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 Loesungliefert, dann muss sie in der Natur auch einen Sinn haben, sagte er sich. Und sosah 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 etwaeine Minuselementarladung besitzen, sondern eine Pluselementarladung.
Nun hat bis 1928 noch keiner ein Antimaterie gesehen, so sahen vielePhysiker auch diese Spekulation von Dirac sehr skeptisch gegenueber.Schliesslich sind die Physiker ja keine Mathematiker und fuer sie existierengenau das, was auch tatsaechlich in der Natur nachgewiesen werden kann.
So verging 4 Jahre und am 2.August 1932 machte ein Amerikaner namens CarlAnderson auf dem Sternwarter von Mount Wilson eine Entdeckung, die besagt, dassDiracs Spekulation richtig ist.
Was hat dieser Anderson gemacht? Dieser Anderson hat die Hoehenstrahlunguntersucht. Damals gab es noch keine Teilchenbeschleuniger, und die Physikerwussten auch noch nicht, wie man so richtig hochenergetische Teilchen erzeugenkann. Aber damals wusste man schon von Hoehenstrahlung, die wurde naemlich nochfrueher durch Hoehenbaloons mit entsprechenden Geraeten an Board entdeckt. Nunsagten die Physiker, na gut, wenn wir noch keine Teilchenbeschleuniger zu bauenwissen, koennen wir doch die Natur bedienen. Also nimmt man die Teilchen zurUntersuchung, die von der Hoehenstrahlung kommen.
Da man nie so richtig weisst, wann denn ein Teilchen ankommt, und dasWarten darauf zu langweilig ist, ueberlaesst der faule Mensch das Warten einPhotoapparat. Bei Anderson wurde ein Nebelkammer benutzt, der von Bleiplattendurchtrennt sind, und daneben ein Kamara. Parallel zum Kamara ist nocheinmagnetisches Feld geschaltet. Wenn ein elektrisch geladenes Teilchen durchdieses magnetisches Feld fliegt, dann macht seine Bahn eine Kruemung. DieseKruemung haengt von zwei Groessen ab: die Masse des Teilchens (genauer gesagt,das Verhaeltnis Masse/Ladung, da allerdings die Hoehenstrahlung nur Teilchen mit1 Elementarladung aufweisen, gibt diese indirekt den Hinweis auf Masse hin) unddie Geschwindigkeit des Teilchens. Die Richtung, nach welche Seite die Spurgekruemt ist, haengt von dem Vorzeichen der Ladung ab (aber das musst Dueigentlich schon in der Schule gehabt haben, von wegen Rechthand-Regel und so).
An jenem besagten August-Tag nun registrierte das Kamera von Anderson eineSpur, die ausserordentlich seltsam ist. Von der Richtung der Kruemung sah man,dass es eine positive Ladung war. Da man damals ausser Elektronen nur Protonenkennt, wuerde man daraus schliessen, dass das ein Proton gewesen sein musste.Allerdings durchdringt die Spur eine Bleiplatte. Das muss bedeuten, dass dasTeilchen eine sehr hohe Geschwindigkeit gehabt haben musste. Wenn das ein Protonwaere und wenn seine Geschwindigkeit so gross waere, wuerde er aber ein vielgroesseres 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 undbeschliess, die Sache genauer zu untersuchen, so konnte er aus der Spur vor undnach der Bleiplatte die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmen und somit dieMasse, und siehe da, die Masse ist genau so gross wie die des Elektrons. Somithat Anderson ein positives Elektron, also ein Positron, entdeckt. Das war daserste Anti-Materie-Teilchen, dass je in der menschliche Geschichte dokumentiertwird.
Heute kennt man schon so viele Positronen, dass Photoplatte derHoehenstrahlung mit einem Positron-Spur glatt weggeworfen waere, weil sievoellig uninteressant ist.
Nun, wie entstehen die Positronen in der Hoehenstrahlung (und damitverbunden auch die Frage, wie macht man sowas), schliesslich besteht ja unsereWelt aus Materie. Die Hoehenstrahlung besteht aus Teilchen mit sehr hoherGeschwindigkeit (zum Beispiel Elektronen oder Protonen, die mit fastLichtgeschwindigkeit bewegen) oder sehr hochenergetische Photonen (alsoGamma-Strahlung). Wenn diese Teilchen auf einem irdisches Teilchen in derAtmosphaere trifft, dann zerschmettert diese das irdische Teilchenbuchstaeblich. Daraus wird zuerst einmal eine riesen Truemmel, die mit ebenfallsimmer noch sehr hohe Geschwindigkeit bewegen. Dabei koennen dieTeilchen-Antiteilchen-Paare entstehen, ein hochenergetisches Photon kann alsozum Beispiel in einem Positron und einem Elektron zerfallen. Das ist dasUmkehrereignis, wie wenn ein Positron einen Elektron trifft,dann gibt es einLichtblitz. So stellen heutzutage die Physiker auch in denTeilchenbeschleunigern Antimaterie her: Man beschleunigt zum Beispiel Elektronenoder Protonen so stark, dass sie fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegen undzerschmettern sie auf Atomkerne, dabei koennen unter anderem auch Antimaterieentstehen.
An sich genommen ist dies inzwischen schon eine Routine bei denHochenergie-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 hoherGeschwindigkeit. Diese zu fangen und abzubremsen, das ist nun eine wahre Kunst,die ebenfalls eine lange und wundervolle Entwicklungsgeschichte hintersich hatund einige Nobelpreise hervorgebracht hatte. Vor etwa 5 Jahre war man so weit,dass man Anti-Prot

Antimaterie

Die Antimaterie ist nichts geheimnisvolles. Genauer gesagt, sie war einmaletwas geheimnisvolles, allerdings nur fuer 4 oder 5 Jahren.
Nachdem Einstein seine Relativitaetstheorie aufgestellt und dieQuantenphysiker die Quantenmechanik aufgestellt hatten, gab es Versuche, diesebeide Theorien, die eine im Bereich des Makrokosmos gut bewaehrt und das andereim Bereich des Mikrokosmos, zu vereinigen. Der erste Erfolg gelang Paul Dirac.
Dirac istein englischer Physiker und ein unglaublich brillianterMathematiker. Dirac vollendete 1928 eine Theorie, die die Quantenphysik und diespezielle Relativitaetstheorie zusammenbindet und die bis heute ihre Gueltigkeitbewahrt (trotz viele Entdeckungen, die erst danach kamen). Dirac bemerkte inseine neue Theorie, dass es Loesungen gibt, die auf dem ersten Blickphysikalisch nicht sinnvoll erscheinen.
Um diese Sachverhalt zu verdeutlichen, lassen wir mal mit einer ganzeinfachen Aufgabe einen Vergleich machen: Eine quadratische Gelaender hat eineFlaeche von 4 km^2, wie gross ist die Seitelaenge? 2km sagt der Schueler. Naja,der peinlich genauer Mathematiker wuerde sagen plusminus 2km. Aberoffensichtlich gibt es fuer die -2km keinen physikalischen Sinn, also nimmt mandie +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 Loesungliefert, dann muss sie in der Natur auch einen Sinn haben, sagte er sich. Und sosah 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 etwaeine Minuselementarladung besitzen, sondern eine Pluselementarladung.
Nun hat bis 1928 noch keiner ein Antimaterie gesehen, so sahen vielePhysiker auch diese Spekulation von Dirac sehr skeptisch gegenueber.Schliesslich sind die Physiker ja keine Mathematiker und fuer sie existierengenau das, was auch tatsaechlich in der Natur nachgewiesen werden kann.
So verging 4 Jahre und am 2.August 1932 machte ein Amerikaner namens CarlAnderson auf dem Sternwarter von Mount Wilson eine Entdeckung, die besagt, dassDiracs Spekulation richtig ist.
Was hat dieser Anderson gemacht? Dieser Anderson hat die Hoehenstrahlunguntersucht. Damals gab es noch keine Teilchenbeschleuniger, und die Physikerwussten auch noch nicht, wie man so richtig hochenergetische Teilchen erzeugenkann. Aber damals wusste man schon von Hoehenstrahlung, die wurde naemlich nochfrueher durch Hoehenbaloons mit entsprechenden Geraeten an Board entdeckt. Nunsagten die Physiker, na gut, wenn wir noch keine Teilchenbeschleuniger zu bauenwissen, koennen wir doch die Natur bedienen. Also nimmt man die Teilchen zurUntersuchung, die von der Hoehenstrahlung kommen.
Da man nie so richtig weisst, wann denn ein Teilchen ankommt, und dasWarten darauf zu langweilig ist, ueberlaesst der faule Mensch das Warten einPhotoapparat. Bei Anderson wurde ein Nebelkammer benutzt, der von Bleiplattendurchtrennt sind, und daneben ein Kamara. Parallel zum Kamara ist nocheinmagnetisches Feld geschaltet. Wenn ein elektrisch geladenes Teilchen durchdieses magnetisches Feld fliegt, dann macht seine Bahn eine Kruemung. DieseKruemung haengt von zwei Groessen ab: die Masse des Teilchens (genauer gesagt,das Verhaeltnis Masse/Ladung, da allerdings die Hoehenstrahlung nur Teilchen mit1 Elementarladung aufweisen, gibt diese indirekt den Hinweis auf Masse hin) unddie Geschwindigkeit des Teilchens. Die Richtung, nach welche Seite die Spurgekruemt ist, haengt von dem Vorzeichen der Ladung ab (aber das musst Dueigentlich schon in der Schule gehabt haben, von wegen Rechthand-Regel und so).
An jenem besagten August-Tag nun registrierte das Kamera von Anderson eineSpur, die ausserordentlich seltsam ist. Von der Richtung der Kruemung sah man,dass es eine positive Ladung war. Da man damals ausser Elektronen nur Protonenkennt, wuerde man daraus schliessen, dass das ein Proton gewesen sein musste.Allerdings durchdringt die Spur eine Bleiplatte. Das muss bedeuten, dass dasTeilchen eine sehr hohe Geschwindigkeit gehabt haben musste. Wenn das ein Protonwaere und wenn seine Geschwindigkeit so gross waere, wuerde er aber ein vielgroesseres 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 undbeschliess, die Sache genauer zu untersuchen, so konnte er aus der Spur vor undnach der Bleiplatte die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmen und somit dieMasse, und siehe da, die Masse ist genau so gross wie die des Elektrons. Somithat Anderson ein positives Elektron, also ein Positron, entdeckt. Das war daserste Anti-Materie-Teilchen, dass je in der menschliche Geschichte dokumentiertwird.
Heute kennt man schon so viele Positronen, dass Photoplatte derHoehenstrahlung mit einem Positron-Spur glatt weggeworfen waere, weil sievoellig uninteressant ist.
Nun, wie entstehen die Positronen in der Hoehenstrahlung (und damitverbunden auch die Frage, wie macht man sowas), schliesslich besteht ja unsereWelt aus Materie. Die Hoehenstrahlung besteht aus Teilchen mit sehr hoherGeschwindigkeit (zum Beispiel Elektronen oder Protonen, die mit fastLichtgeschwindigkeit bewegen) oder sehr hochenergetische Photonen (alsoGamma-Strahlung). Wenn diese Teilchen auf einem irdisches Teilchen in derAtmosphaere trifft, dann zerschmettert diese das irdische Teilchenbuchstaeblich. Daraus wird zuerst einmal eine riesen Truemmel, die mit ebenfallsimmer noch sehr hohe Geschwindigkeit bewegen. Dabei koennen dieTeilchen-Antiteilchen-Paare entstehen, ein hochenergetisches Photon kann alsozum Beispiel in einem Positron und einem Elektron zerfallen. Das ist dasUmkehrereignis, wie wenn ein Positron einen Elektron trifft,dann gibt es einLichtblitz. So stellen heutzutage die Physiker auch in denTeilchenbeschleunigern Antimaterie her: Man beschleunigt zum Beispiel Elektronenoder Protonen so stark, dass sie fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegen undzerschmettern sie auf Atomkerne, dabei koennen unter anderem auch Antimaterieentstehen.
An sich genommen ist dies inzwischen schon eine Routine bei denHochenergie-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 hoherGeschwindigkeit. Diese zu fangen und abzubremsen, das ist nun eine wahre Kunst,die ebenfalls eine lange und wundervolle Entwicklungsgeschichte hintersich hatund einige Nobelpreise hervorgebracht hatte. Vor etwa 5 Jahre war man so weit,dass man Anti-Protonen so weit abkuehlen konnte, dass man sie in einemthermoflaschefoermigen Behaelter in einem Pkw von der Ostkueste desamerikanischen Kontinents bis zur Westkueste transportieren konnte (ich moechtegern wissen, welche Gefahrengut- Transport-Tafel das Fahrzeug getragen hatte:-).
Anti-Protonen oder Positronen sind deswegen "leicht" zu behandeln, weil sieelektrisch geladen sind. Elektrisch geladene Teilchen kann man immer mitelektrische oder magnetische Kraefte ablenken, waehrend bei neutrale Teilchendas schon viel schwieriger ist, zumal bei den Anti-Teilchen man sie nichtantasten kann, weil wie vorhin schon beschrieben, sie sonst in einem Lichtblitzzerstrahlen. Das ist auch der Grund, warum die Anti- Protonen transportiertwerden konnten und die Anti-Wasserstoff-Atome binnen kurzesten Zeit wieder wegwaren.
Um diese schon recht lange (und doch immer noch nicht ausfuehrlich genuge)Mail zu beschliessen, haenge ich noch drei Literatur-Empfehlungen fuer dasweiterlesen (alle drei aus dem Zeitschrift "Spektrum der Wissenschaft"):
Einschluss neutraler Teilchen mit Laserstrahlen (*) von Steven Chu 1992 / 4S.68 - 75 Elektrisch neutralePartikel wie Atome oder Makromolekuele lassen sichmittels Laserlicht nahezu vollstaendig zur Ruhe bringen und gezieltbeeinflussen. Damit eroeffnen sich neue Anwendungen in Physik und Bio- chemie.So kann man etwa Gase bis fast auf den absoluten Nullpunkt kuehlen, praezisereAtomuhren entwickeln oder einzelne DNA-Molekuele strecken. Kuehlung undSpeicherung von Antiprotonen von Gerald Gabrielse 1993 / 2 S.44 - 51 Mit einemneuen Verfahren lassen sich die in Beschleunigern erzeugten hochenergetischenAntiteilchen der Protonen abbremsen und einsperren. Die Untersuchung dieserPartikel niedrigster Energie liefert die bis- her genauesten Vergleiche derEigenschaften von Materie und Antimaterie. Paul Dirac und das Schoene in derPhysik von R. Corby Hovis & Helga Kragh 1993 / 7 S.84 - 90 Sein Lebenwidmete er der Suche nach mathematischer Eleganz in den Naturgesetzen. Geradezubesessen von dieser Vorstellung gelangen ihm bahnbrechende Erkenntnisse in derQuantentheorie -- wie etwa die Vor- aussage der Antimaterie. Ferner daswunderschoene Einfuehrungsbuch in die Quantenmechanik vom Spektrum-Verlag: DasQuantenuniversum.

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