NATuQuTAN – Teil IV, geschrieben von Magister Botanicus

Die Paarbildung („Wie schööön!“ – der Red-Elch)

Nun kommen wir zu einem Effekt im Bereich der Quantenphysik, der mich persön­lich immer am meisten fasziniert hat, der Paarbildung. Behalten wir während der Beschreibung des Vor­ganges im Kopf, dass es Prinzipien oder Naturgesetze gibt, die überall im Universum gleiche Gültigkeit zu haben scheinen.

Lassen Sie uns jetzt gedanklich in die Nähe eines Atomkernes reisen. Welches Element dieser Atomkern darstellt oder wie viel Protonen oder Neutronen er hat, ist nicht so wichtig. Wir halten an einem Punkt, an welchem sich das sogenannte „Coulomb-Feld“ des Atomkernes ausbreitet und wirksam ist. Es ist – vereinfacht ausgedrückt – eine Art elektrisches Feld, welches jedem Atomkern zugeordnet ist und durch intraatomare Prozesse aufgebaut wird.

Nehmen wir weiterhin an, wir würden dieses Atom jetzt mit einer sehr energie­reichen Gamma-Strahlung bestrahlen bzw. mit sehr energiereichen Fotonen durch­dringen wollen. Solange wir das Coulomb-Feld meiden, passiert gar nichts. Wenn aber der Gamma-Fotonen-Strahl in den Bereich dieses Feldes kommt und bestimmte energetische Voraussetzungen erfüllt sind – nämlich das die Energie der Fotonen mindestens ein Äquivalent von 1.022 MeV hat (Mega-Elektronen-Volt = Energie­einheit der Elektronenenergie) – dann geschieht es:

Es erscheinen plötzlich 2 Quanten mit Ruhemasse – einfach so, scheinbar aus dem Nichts – die sich mit genau gleicher Geschwindigkeit diametral voneinander ent­fernen. Und jedes diese beiden Quanten trägt eine Ladung von 0.511 MeV!

Antimaterie und Energieerhaltungssatz

Was ist passiert?

Zunächst mal sollte gesagt werden, dass die 2 Quanten, die hier entstanden, ein negativ gela­denes Elektron und ein positiv geladenes Elektron, ein sogenanntes Positron, sind. Sie haben beide die gleichen Eigenschaften wie alle Elektronen, nur das eine davon hat ein positive elek­trische Ladung, das macht es so besonders. Während das negative geladene Elektron davon ­schwirren kann und sich wie ein normales Elektron verhält, muss das positiv geladene Elektron höllisch aufpassen, das es keinem negativ geladenen Elektron über den Weg läuft.

Aus der Schule können wir uns noch dunkel erinnern, das sich die gleichnamigen Pole eines Magneten abstoßen, sich die ungleichnamigen Pole aber anziehen. Nun, das ist bei dem Elek­trischen Feld nicht anders wie bei dem Magnetischen – und ein positives Elektron zieht ein negativ geladenes Quant seiner Art (nicht magisch, sondern physikalisch) an!

Und wenn dass passiert, dann rummst es gewaltig! Beide Teilchen sind auf der Stelle ver­schwunden, aber dafür ist ein Gamma-Quant, ein Foton entstanden, welches genau die Energie von 1.022 MeV hat.

(„Jetzt sind alle Klarheiten restlos im Dunkel verschwunden!“ – der Red.-Elch)

Dann also wieder zurück zu Prinzip und Energie – als Erstes, das Prinzip eines jeden Quanten­zustandes ist überall im Universum dasselbe. Ist also der energetische Rahmen gegeben (hier die Bestrahlung mit Gamma-Quanten), wirkt eines dieser Prinzipien und es entsteht ein Paar ungleich geladener Quanten, die jetzt jedes für sich genau die Hälfte der Energie des Gamma-Quants tragen (= Energieerhaltungs­satz, Energie geht nicht verloren, sie kann nur trans­formiert werden).

Aber ein weiteres Prinzip greift hier ebenfalls ein, nämlich, dass immer nur gleich­zeitig ein positiv und ein negativ geladenes Teilchen entstehen kann, Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen. Wieder sehen wir, dass die Energie des Fotons er­halten bleibt während das Foton selbst anscheinend vernichtet ist. Aber ein Prinzip ist kein materieller Zustand, es wird erst dann wieder wahrnehmbar, wenn Positron und Elektron zusammenstoßen und die Energie sich wieder einem ihm äquivalenten Prinzip, per Grundgesetz („?, äh, wie bitte?“ – der Red.-Elch), sorry, per Naturgesetz zugeordnet wird. Und prinzipiell geht die Materie – Antimaterie / Teilchen – Anti­teilchen – Erzeugung mit jedem Quant (Proton, Neutron etc.), aber der Energie­aufwand ist beachtlich.

Einstein und Energieäquivalenz von materiellen Strukturen

Damit ich Ihnen nun auch mal ein paar Formeln präsentieren kann, weil man mit denen so wunderbare Spielchen treiben kann, hier nun die ersten Zwei davon, die aber im Laufe des Textes noch an Wichtigkeit zunehmen werden:

1. E = m * c2

2. E = h * c

Die erste Formel beschreibt das Masseäquivalent der Energie, d.h. wie viel Energie z.B. bei der „Zerstörung“ eines Elektrons frei wird. Wobei wir ja vorher festgestellt haben, dass nur die materielle Messbarkeit des Elektrons verschwindet, sein Prinzip nicht – und dass sich die frei­werdende Energie ein geeignetes Trägerprinzip sucht.

Betrachten wird also mal was dabei heraus kommt, wenn wir das mit nur einem einzigen Elektron tun würden. Die spezifische Masse eines Elektrons beträgt unge­fähr 9.1 x 10-31 kg. Doch jetzt muss diese Masse mit dem Quadrat der Licht­geschwindigkeit multipliziert werden – und dieser Wert beträgt ca. 3 x 1036. Das be­deutet, das 100.000 kg.m2/s2 oder 100.000 Joule (Einheit für Arbeit) freigesetzt werden könnten. Eine Energiemenge, die reicht, wenn sie in Hebelkraft umgesetzt würde, einen Kleinwagen ca. 10 m über den Erdboden zu heben!!! – und dies in einem so winzigen Masseteilchen. Das heißt aber auch, dass bei der „Zerstörung“ eines Positrons und eines Elektrons – unser Beispiel aus der Paarbildung – 182.000 Jaule freigesetzt werden und der Kleinwagen bereits eine Höhe von 20 m erreichen würde.

Wenn wir uns dann überlegen, was passiert, wenn ein ganzes Molekül Antimaterie auf ein Molekül Normalmaterie trifft – kommt es – im wahrsten Sinne des Wortes – zu einer Explo­sion, die jede Menge -Quanten freisetzt. Diese energiereiche Strahlung oder Lichtquanten können – wie die bei der Explosion einer Plutonium­bombe freigesetzten -Strahlung – tödlich wirken.

Warum sie das sind, folgert aus der nächsten Formel, nämlich dem Energie­äquivalent einer Strahlung. Die Formel bedeutet, dass die Energie einer Strahlung gleich einer Kosmischen Konstante ist (dem sog. „Planck´schen Wirkungsquantum [h]), welche multipliziert wird mit der Lichtgeschwindigkeit die wiederum vorher durch die Frequenz (= Wellenlänge) der Strahlung zu teilen ist.

Hier ist gleich zu sehen, dass niedrig frequente Strahlung oder Lichtquanten mit einer großen Wellenlänge weniger Energie tragen können wie hochfrequente Fotonen. Denn je kleiner der Wert unter dem Bruchstrich wird, um so größer wird das Produkt aus h und c, eben der Energiemenge. Und jetzt stellen wir uns vor, wir setzen die aus unserem Beispiel mit dem Elektron und dem Positron bekommene Energie von ca. 200.000 Joule in diese Formel ein.

Dann erhalten wir eine Wellenlänge, die genau jenem Gamma-Quant entspricht, welches ent­standen ist. Das ist sog. „harte“ -Strahlung, die so energiereich ist, dass sie aus einem Molekül der Erb­masse eines Menschen Elektronen heraus schießen kann, wenn sie darauf trifft! Und was dass bedeutet, vor allem, wenn nicht nur ein solches Quant entsteht, sondern – wie bei der Explosion einer Plutoniumbombe – un­zählige, das wissen wir seit Hiroshima und Nagasaki leider nur zu genau!

Ende Teil IV

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