Czy zdajecie sobie sprawę, że niemal na każdym rynku i w wielu sklepach spożywczych zachodzi niezauważalne gołym okiem wytwarzanie antymaterii? I nie, nie chcę się tu odnosić do filmu „Anioły i demony” na podstawie książki Dana Browna. Film był typową przygodówką, niemającą wiele wspólnego z prawdziwą fizyką, choć część scen była kręcona w prawdziwym ośrodku CERN w Genewie. Ale wróćmy do początku.
Niemal sto lat temu (1928) wielki fizyk teoretyk, Paul Dirac, wyprowadzając relatywistyczne równanie elektronu, stwierdził z pewnym zaskoczeniem, że jego rozwiązanie postuluje istnienie cząstki, która jest niemal identyczna ze zwykłym elektronem – z wyjątkiem ładunku. Jak wiemy zwykły elektron ma ładunek ujemny, a wymyślona przez Diraca cząstka miała mieć dodatni. Pierwotnie uznawano rozwiązanie równania Diraca z antyelektronem wyłącznie za swego rodzaju ciekawostkę naukową, ale już w 1932 roku Carl Anderson przedstawił dowody doświadczalne na rzeczywiste istnienie takiej cząstki. Została ona nazwana pozytonem (ew. pozytronem) i oznaczona jako e+. Dość szybko okazało się, że antyelektron nie jest wyjątkiem. Wszystkie cząstki elementarne mają swoje odpowiedniki w świecie „anty”, mamy więc antyprotony czy antykwarki. Niektórzy fizycy postulują nawet, że gdzieś tam jest antyświat zbudowany z antyatomów. Tego jeszcze nie odkryto, ale doświadczalnie wykazano, że jeśli cząstka (albo atom) spotka się ze swoim odpowiednikiem anty, nastąpi anihilacja – po prostu znikną, emitując odpowiednie promieniowanie. Co więcej – w pewnych szczególnych przypadkach możliwy jest proces odwrotny, gdy z promieniowania wyłoni się para cząstka–antycząstka.
No dobrze, dość teorii, zapraszam na deser.
Co z tymi bananami?
No właśnie, przyjrzyjmy się tym popularnym owocom (botanicy formalnie nazywają je jagodami). Są polecane przez dietetyków i lekarzy. Ma to sens, ponieważ zawierają całą gamę witamin (A, B, C, E…), sporo magnezu, wapnia i fosforu. Ale bardzo istotny jest zawarty w nich potas, którego jest więcej niż np. w pomidorach (400 mg/kg vs. 250 mg/kg). I właśnie potas jest w tej opowieści kluczowy. Ale tu będzie o antymaterii, a nie o odżywianiu.
Drzewa bananowca czerpią minerały z gleby, w tym wspomniany potas, tzn. dokładniej związki tego metalu. Potas jest bardzo reaktywnym pierwiastkiem alkalicznym, dlatego nie występuje w naturze w stanie wolnym. Kationy potasu są właściwie wszechobecne, mamy je też oczywiście w naszym ciele (ok. 140 g). Wraz z kationami sodu pełnią bardzo istotną rolę, m.in. w przewodzeniu nerwowym.
Jak wiemy większość atomów pierwiastków istnieje w kilku odmianach różniących się liczbą neutronów w jądrze. Nazywamy je izotopami. Liczba protonów musi być zawsze taka sama, bo to ona definiuje dany pierwiastek. W naturze możemy spotkać trzy izotopy potasu: potas-39, potas-40 oraz potas-41. Pierwszy i trzeci są trwałe, ten środkowy zaś promieniotwórczy. Dodam tu, że fizycy wyprodukowali wiele innych izotopów potasu, ale większość z nich ma czas półtrwania rzędu milisekund. Dla porównania – czas półtrwania potasu-40 to 1,25 mld lat! Nic nie da więc odłożenie banana na półkę, aby „się wypromieniował”.
Potas-40, źródło antymaterii
Wróćmy do interesującego nas izotopu 40K. Jak wiemy, ulega on rozpadowi promieniotwórczemu, i to na cztery różne sposoby. Najczęściej jest to tzw. rozpad beta minus, czyli emisja zwykłych elektronów. W wyniku tego procesu powstaje trwały izotop wapnia – 40Ca. Prawdopodobieństwo tego rozpadu wynosi niemal 90%. Drugim jest wychwyt elektronu, w wyniku czego powstaje izotop 40Ar (prawdopodobieństwo ok. 10%). Te dwa procesy są związane ze zwykłą materią. Ale nas interesuje antymateria, czyli proces, w którym jądro emituje pozyton i przekształca się także w 40Ar. Proces ten nazywamy rozpadem beta plus. Tu prawdopodobieństwo wynosi zaledwie 0,001%. Przełóżmy to na konkrety – jeden banan emituje jeden pozyton średnio co 75 minut. No i mamy antymaterię! Los jej jest jednak przesądzony – niemal natychmiast spotka na swojej drodze zwykły elektron – i pyk! Oba znikną, emitując dwa fotony.
Czy to oznacza, że powinniśmy wykluczyć z diety banany? Absolutnie nie. Musimy zdawać sobie sprawę, że dziennie w różnych pokarmach spożywamy kilka gramów potasu – i w koktajlu tym znajduje się zawsze 40K. Tak więc cały czas w naszym ciele także następuje emisja pozytonów, po której anihilują one w zasadzie bez żadnych widocznych efektów. Trzeba też pamiętać, że promieniotwórczość w naszych organizmach nie kumuluje się. Można stwierdzić, że tyle potasu, ile weszło do naszego ciała, opuści je z moczem – stężenie tego pierwiastka (oczywiście też izotopu potasu-40) będzie stałe.
Banan jako jednostka promieniotwórczości
Nie, to nie jest żart. Jakieś 30 lat temu ktoś zaproponował, by zamiast mówić, że organizm przyjął dawkę 0,1 μSv (mikrosiwerta), łatwiej jest powiedzieć, że zjedzono jednego banana (ok. 150 g). Nie jest to oczywiście jednostka oficjalna, ale używa się jej w opowiadaniu o promieniotwórczości. Nosi nazwę ekwiwalentu bananowego (ang. banana equivalent dose – BED). Aby to z czymś porównać, wystarczy napisać, że tomografia klatki piersiowej jest równoważna 70 tys. BED.
Pożyteczne pozytony
Antymateria jest straszna tylko w horrorach science fiction. Musimy sobie zdawać sprawę, że pozytony (przypominam – elektrony dodatnie) od dłuższego czasu wykorzystujemy w medycynie. Zapewne część z was miała kiedyś badanie zwane PET. Jest to pozytonowa tomografia emisyjna. Wykorzystuje się tutaj – zamiast zewnętrznego źródła promieniowania – związki chemiczne zawierające izotopy emitujące pozytony, czyli w jakimś sensie promieniowanie wnętrza organizmu. Izotopy takie jak węgiel-11, gal-68 czy też (głównie) fluor-18 podaje się dożylnie jako tzw. kontrast wewnętrzny. Każdy z emitowanych przez te izotopy pozytonów przelatuje maks. kilka milimetrów, po czym zderza się ze zwykłym elektronem, emitując promieniowanie gamma i właśnie ono jest rejestrowane później przez tomograf. Tutaj muszę dodać, że używane izotopy są krótkożyciowe i organizm wydala je w ciągu kilkudziesięciu godzin, aby nam nie zaszkodzić.
Inną dziedziną zastosowań pozytonów jest PALS – Spektroskopia Czasów Życia Pozytonów. Pozwala ona na badanie różnych własności rozmaitych materiałów. Wykorzystuje ona izotop sodu-22, który emituje pozytony i bada się czas, który mija między emisją pozytonu a jego anihilacją. Badania te pozwalają na określenie mikrostruktury materiałów, takich jak metale czy polimery. Wykorzystuje się to m.in. do defektoskopii, badania struktury krystalicznej metali i stopów, jak też do analizy korozji czy zmęczenia materiału.
Tak więc widzimy, że antymateria potrafi być całkiem pożyteczna.
Obrazek ilustrujący – Gemini AI
