To gode spørgsmål: Annihilation af atomet – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > To gode spørgsmål: Ann...

03. september 2015

To gode spørgsmål: Annihilation af atomet

Hej Spørg om Fysik
Jeg har i mange år spekuleret på disse to spørgsmål:

 1. Hvorfor smelter elektronen ikke sammen med protonen?

 Idet protonen har en positiv ladning og elektronen har en negativ ladning - skulle man tro at de ville "smelte sammen" og dermed neutraliserer hinanden.

 2. Hvor kommer energien fra der får elektronen til at bevæge sig rundt om kernen?

 Selv om elektronen har en meget lille masse - må der alligevel bruges noget energi - når den bevæger sig rundt om kernen. Hvor kommer denne energi fra?

 Er det nogle spørgsmål du vil besvare?

 Med venlig hilsen
 J S

Det er således, at de forskellige elementarpartikler (som f.eks. elektronen og protonen) har adskillige såkaldte kvantetal. En del af disse kalder vi generelt for “ladninger”. Den _elektriske_ ladning er blot et af partiklernes kvantetal.

Positronium men en positron og en elektron i "brintmodel"

For at to partikler skal kunne “smelte sammen”, som du kalder det, eller    “annihilere”, som vi kalder det, skal ikke kun den elektriske ladning være modsat, men samtlige kvantetal skal være modsatte. Dette er ikke tilfældet for elektronen og protonen, som tilhører to vidt forskellige klasser af partikler. Så derfor annihilerer de to ikke. Faktisk er det således, at det kun er en partikel og dennes anti-partikel, som har samtlige kvantetal modsatte og dermed kan annihilere. Der findes f.eks. anti-protoner (som man producerer og laver eksperimenter med ved CERN). Disse kan annihilere med protoner.

En elektron og en positron dannes ud fra en gammestråle. Det sker i magnetfelt og de to fortegn for ladningerne får dem til at spiralisere hver sin vej

Ligeledes har elektronen en antipartikel, kaldet en positron. Det er interessant, at der faktisk eksisterer en bunden tilstand af en positron og en elektron, kaldet prositronium. Det er et slags brintatom, hvor protonen er skiftet ud med en positron. Men da det er en bunden tilstand af en partikel og dennes    antipartikel, så vil der ske lige præcis det du nævner: De to partikler vil kunne annihilere.

Dette sker megt hurtigt: i gennemsnit efter en tiendedel af en milliardedel af et sekund. Levetiden af positronium er altså dermed yderst kort.

I modsætning til brintatomet, som så vidt vi ved lever uendeligt.

I den praktiske verden benyttes annihilation af elektroner og positroner i den såkaldte PET (positron electron tomography) scanning på hospitalerne.

PET teknologi. Patienten får indsprøjtet et stof som afgiver positioner, disse rammer de normale elektroner og der udsendes så to gammestråler, som apparatet registrerer.

Man indgiver patienterne et svagt radioaktivt stof, som udsender positroner. Disse frigøres i kroppen, og annihilerer der med elektroner, hvorved der skabes to meget højenergetiske fotoner (lyskvanter), som forlader kroppen i direkte modsatrettede baner. Ved at observere de to fotoner, kan man derved bestemme, hvor annihilationsprocessen foregik, og dermed danne et billede af kroppens indre organer.

2. Det er således i kvantemekanikken, at tilstanden med mindst energi faktisk ikke tilsvarer energien lig nul. Enhver tilstand vil altid have en vis minimumsenergi. Dette hænger også sammen med kvantemekanikkens usikkerhedsrelation: Netop det, at intet nogensinde ligger i fuldstændig hvile gør, at der er en vis sikkerhed i naturen, som man ikke kan komme ud over lige meget, hvor præcist man måler.

Fra neden ses en positron der kommer ind i boblekammeret (rød), Den rammer en elektron og videresender en proton (gul). Protonen bevirker en pardannelse med en position (grøn) og en elektron (sort). Banerne krummes fordi forsøget sker i et magnetfelt

Det er netop denne minimumsenergi, der får elektronerne til at kredse om kernen.

Med venlig hilsen
Mogens Dam

Annihilation, positron + elektron annihileres og forsvinder og i stedet kommer 2 gammastråler ud

 

Dannelse af elektron og positron ved et atom der træffes af en gammastråle