Pozitron

Rozbalit box

Obsah boxu

Pozitron, známý také jako antielektron, je antičástice elektronu. Patří mezi leptony a je součástí antihmoty. Pozitron má stejnou hmotnost a stejnou velikost spinu jako elektron, ale nese opačný, tedy kladný elektrický náboj (+1 e). Ačkoliv je ve vakuu stabilní, při setkání s elektronem dochází k jejich vzájemnému zániku v procesu zvaném anihilace, při kterém se jejich hmotnost přemění na energii ve formě dvou (nebo více) fotonů záření gama.

Existenci pozitronu teoreticky předpověděl britský fyzik Paul Dirac v roce 1928 jako jedno z řešení své relativistické rovnice pro elektron. Experimentálně byl pozitron poprvé pozorován americkým fyzikem Carlem D. Andersonem v roce 1932 při studiu kosmického záření pomocí mlžné komory, za což v roce 1936 obdržel Nobelovu cenu za fyziku. Tento objev byl prvním experimentálním důkazem existence antihmoty.

⏳ Historie

Teoretická předpověď

Na počátku 20. století se fyzika potýkala s propojením kvantové mechaniky a speciální teorie relativity. V roce 1928 britský teoretický fyzik Paul Dirac publikoval svou slavnou Diracovu rovnici, která popisovala chování elektronů v souladu s oběma teoriemi. Tato rovnice však měla nečekané důsledky: poskytovala dvě sady řešení. Jedna sada odpovídala dobře známému elektronu se zápornou energií, ale druhá sada popisovala částici s kladnou energií a kladným nábojem.

Dirac zpočátku váhal s interpretací tohoto druhého řešení a dokonce se domníval, že by se mohlo jednat o proton. To by ale znamenalo, že by tato částice musela mít stejnou hmotnost jako elektron, což bylo v rozporu se známými vlastnostmi protonu. Nakonec v roce 1931 formuloval odvážnou hypotézu, že pro každou částici existuje odpovídající antičástice se stejnou hmotností, ale opačným nábojem. Částice předpovězená jeho rovnicí byla tedy "antielektron", který byl později pojmenován pozitron.

Experimentální objev

Potvrzení Diracovy teorie přišlo o rok později, v roce 1932. Americký fyzik Carl David Anderson z Kalifornského technologického institutu (Caltech) studoval stopy, které zanechávaly částice kosmického záření v mlžné komoře umístěné v silném magnetickém poli. Na jedné z fotografických desek objevil stopu částice, která se zakřivovala opačným směrem než dráha elektronu, což svědčilo o kladném náboji.

Klíčovým prvkem Andersonova experimentu byla olověná destička umístěná uprostřed komory. Částice při průchodu touto destičkou ztratila část své energie, což způsobilo větší zakřivení její dráhy. Z toho mohl Anderson určit směr pohybu částice a jednoznačně potvrdit, že se jedná o kladně nabitou částici přilétající shora. Analýzou délky a zakřivení stopy dospěl k závěru, že hmotnost této částice je velmi podobná hmotnosti elektronu, ale nese kladný náboj. Tuto novou částici nazval pozitron. Za tento průlomový objev, který byl prvním důkazem existence antihmoty, obdržel Anderson v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.

🔬 Vlastnosti

Pozitron je elementární částicí, která sdílí mnoho vlastností s elektronem, ale liší se v klíčových aspektech souvisejících s jejím charakterem antičástice.

• Hmotnost: Klidová hmotnost pozitronu je identická s hmotností elektronu: 9,109 × 10⁻³¹ kg, což odpovídá klidové energii 0,511 MeV/c².
• Elektrický náboj: Pozitron má kladný elementární náboj +1 e, což je přesný opak náboje elektronu. Jeho hodnota je +1,602 × 10⁻¹⁹ C.
• Spin: Stejně jako elektron má pozitron spin o velikosti ½, řadí se tedy mezi fermiony a podléhá Pauliho vylučovacímu principu.
• Leptonové číslo: Pozitronu se přiřazuje leptonové číslo L = -1, zatímco elektron má L = +1.
• Stabilita: Ve vakuu, kde se nemůže setkat s elektrony, je pozitron považován za stabilní částici. V přítomnosti běžné hmoty je však jeho životnost extrémně krátká, protože rychle anihiluje s elektrony. Doba života v látce se pohybuje od 10⁻¹⁰ do 10⁻⁷ sekundy.

💥 Anihilace

Anihilace je proces, který definuje interakci mezi hmotou a antihmotou. Když se nízkoenergetický pozitron setká s elektronem, jejich vzájemná přitažlivost způsobí, že se spojí a obě částice zaniknou. Celá jejich klidová i kinetická energie se přemění na jiné formy energie v souladu se slavným vztahem Alberta Einsteina E=mc².

Při tomto procesu musí být zachována hybnost i energie. Z tohoto důvodu nemůže vzniknout pouze jeden foton. Nejčastějším výsledkem anihilace elektron-pozitronového páru je vznik dvou fotonů záření gama, které se rozletí přesně opačnými směry. Každý z těchto fotonů nese energii přibližně 511 keV, což odpovídá klidové energii jednoho elektronu (nebo pozitronu).

Vznik tří fotonů je také možný, ale výrazně méně pravděpodobný. Tento proces nastává v případech, kdy anihilující pár elektronu a pozitronu má specifickou orientaci spinů.

🌌 Přirozený výskyt a umělá produkce

Ačkoliv pozitrony nejsou běžnou součástí našeho světa tvořeného hmotou, v přírodě neustále vznikají při vysokoenergetických procesech.

• Kosmické záření: Pozitrony jsou přirozenou složkou sekundárního kosmického záření. Vznikají, když primární kosmické záření (většinou protony a atomová jádra) interaguje s atmosférou Země a produkuje spršky sekundárních částic.
• Rozpad beta plus (β⁺): Některé radioaktivní izotopy se rozpadají procesem zvaným beta plus rozpad. Během tohoto procesu se v jádře atomu přemění proton na neutron, přičemž dojde k emisi pozitronu a elektronového neutrina. Tento mechanismus je klíčový pro využití pozitronů v medicíně.
• Tvorba párů: Pokud má foton záření gama dostatečně vysokou energii (vyšší než 1,022 MeV, což je dvojnásobek klidové energie elektronu), může při průchodu v blízkosti atomového jádra zaniknout a přeměnit se na pár elektron-pozitron. Tento proces se nazývá tvorba párů a je opakem anihilace.

Uměle se pozitrony vyrábějí v urychlovačích částic nebo pomocí cyklotronů, které produkují radioizotopy vyzařující pozitrony pro lékařské a vědecké účely.

💡 Využití

Unikátní vlastnosti pozitronů, zejména jejich schopnost anihilovat s elektrony a produkovat detekovatelné záření gama, vedly k jejich širokému využití v medicíně a materiálovém výzkumu.

Medicína: Pozitronová emisní tomografie (PET)

Nejznámější aplikací je pozitronová emisní tomografie (PET), což je moderní zobrazovací metoda v nukleární medicíně. Pacientovi je podána látka (často modifikovaná glukóza zvaná FDG), která je označena radioizotopem s krátkým poločasem rozpadu, jenž emituje pozitrony (např. fluor-18).

Tato látka se hromadí v metabolicky aktivních tkáních, jako jsou například nádory. Emitované pozitrony urazí v těle jen velmi krátkou vzdálenost, než anihilují s okolními elektrony. Při anihilaci vzniknou dva fotony gama o energii 511 keV, které letí opačnými směry. Speciální prstencový detektor kolem pacienta tyto páry fotonů zachytí. Počítač následně zrekonstruuje přesnou polohu anihilace a vytvoří 3D obraz metabolické aktivity v těle. PET skeny jsou neocenitelné v onkologii, neurologii a kardiologii.

Materiálový výzkum

V materiálové vědě se využívá technika zvaná Pozitronová anihilační spektroskopie (PAS). Do zkoumaného materiálu jsou vpraveny pozitrony. Ty mají tendenci se zachytávat v místech s nižší hustotou elektronů, jako jsou mikroskopické defekty, vakance nebo dislokace v krystalové mřížce. Analýzou charakteristik anihilačního záření (například doby života pozitronu před anihilací nebo mírné odchylky v energii fotonů) mohou vědci získat detailní informace o struktuře a poruchách materiálu na atomární úrovni.

👶 Pro laiky

Představte si, že každá částice ve vesmíru má svého "zlého dvojčete" nebo zrcadlový obraz. Pro elektron, malou částici se záporným nábojem, která obíhá kolem jádra atomu a je zodpovědná za elektřinu, je tímto dvojčetem pozitron.

Pozitron je jako elektron téměř ve všem stejný – má stejnou váhu (hmotnost), ale má opačnou "osobnost" (náboj). Zatímco elektron je záporný, pozitron je kladný.

Co se stane, když se tato dvě "dvojčata" potkají? Protože jsou přesnými opaky, navzájem se zničí! Tento proces se jmenuje anihilace a není to tichý zánik. Při jejich setkání dojde k záblesku čisté energie, podobně jako když zmizí kouzelník v obláčku kouře. Z tohoto záblesku vylétnou dva paprsky světla, konkrétně velmi energetického záření gama.

Této vlastnosti chytře využívají lékaři. Při vyšetření zvaném PET dají pacientovi vypít speciální cukr s připojenými pozitrony. Tento cukr mají rády například nádorové buňky, které ho rychle spotřebovávají. Když se pozitrony z cukru setkají s elektrony v těle pacienta, dojde k onomu záblesku. Speciální kamera kolem pacienta tyto záblesky zaznamená a vytvoří mapu, kde přesně v těle se to děje. Lékaři tak mohou vidět, kde se nachází a jak je aktivní například nádor. Pozitron je tedy takový malý špion, který nám pomáhá nahlédnout dovnitř lidského těla.

Zdroje

Wikipedia Treking.cz Wikipédia (slovensky) Wikipedia (Anihilace) WikiSkripta WikiSkripta (PET/CT) Vitalion.cz Aldebaran WikiSkripta (Anihilace) NobelPrize.org MEF - Encyklopedie fyziky Zeptej se vědce!