Hvað er jáeind?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvað er jáeind?
Óvíst er að lesandinn telji sig miklu nær þó að við segjum að jáeindin (e. positron) sé, eftir því sem best er vitað, andeind rafeindarinnar. En í því felst meðal annars að:

• jáeindin er öreind (e. elementary particle), ekki samsett úr öðrum (smærri) eindum.
• hún er létteind (e. lepton), sem þýðir að hún tekur þátt í veikum víxlverkunum (e. weak interactions) en ekki í sterkum víxlverkunum (e. strong interactions).
• auk veikra víxlverkana tekur hún einnig þátt í rafsegulverkunum (e. electromagnetic interactions) og þyngdarverkun (e. gravity). Þetta merkir til dæmis að hún sveigir í rafsviði, segulsviði og þyngdarsviði.
• hún er fermíeind (e. fermion) eins og rafeindin. Það þýðir meðal annars að einungis ein slík eind getur verið í sama skammtafræðilega ástandi á sama tíma.
• hún hefur sama massa og rafeindin og hann jafngildir orkunni 0,511 MeV, en sá mælikvarði er oftast notaður um massa öreinda.
• rafhleðsla hennar hefur sömu stærð og hleðsla rafeindarinnar en gagnstætt formerki. Hleðsla jáeindarinnar er táknuð með -e en rafeindarinnar með +e.
• jáeindin hefur spunatölu (e. spin) 1/2 eins og rafeindin. Spunaástönd hennar miðað við tiltekna stefnu eru tvö og má kenna þau við „upp“ og „niður“.
• ef rafeind og jáeind eru á svipuðum slóðum dragast þær hvor að annarri, rekast oft saman og eyðast. Líklegast er að þá myndist tvær orkumiklar ljóseindir sem deila með sér kyrrstöðuorku upphaflegu eindanna ásamt hreyfiorku þeirra.

Jáeindin er ein þeirra öreinda sem kennilegir eðlisfræðingar hafa sagt fyrir um áður en þær sáust í tilraunum. Það var breski eðlisfræðingurinn Paul Dirac (1902-1984) sem leiddi rök að því í grein frá árinu 1928 að rafeind gæti haft bæði jákvæða og neikvæða rafhleðslu. Í greininni tengdi hann í eina heild skammtafræðina, takmörkuðu afstæðiskenninguna og þá staðreynd að rafeindin hefði hálftöluspuna. Grunnjafnan sem Dirac setti fram virtist bæði hafa lausnir sem samsvöruðu jákvæðri og neikvæðri orku. Árið 1931 komst Dirac að þeirri niðurstöðu að „and-rafeind“ hlyti að vera til og hafa sama massa og rafeindin en andstæða hleðslu. Líta má á jáeindina sem eyðu í hafsjó rafeinda með neikvæða orku.

Bandaríski eðlisfræðingurinn Carl David Anderson (1905-1991) sýndi síðan fram á tilvist jáeindarinnar með frægum tilraunum árið 1932. Hann notaði þokuhylki (e. cloud chamber) með blýplötu sem skipti hylkinu í tvennt, og kom því fyrir í segulsviði. Í hylkinu kom fram braut öreindar sem sveigði vegna segulsviðsins, en sveigjan var meiri fyrir ofan plötuna en fyrir neðan hana. Það þýddi að hraðinn var minni fyrir ofan plötuna og eindin hafði því komið að neðan. Af stefnu sveigjunnar (til vinstri) mátti ráða að eindin væri jákvætt hlaðin og hlaut því að vera jáeindin sem Dirac hafði sagt fyrir um. Að fenginni þessari niðurstöðu fóru menn að skoða betur fyrri tilraunir og kom þá í ljós að þar leyndust líka dæmi um jáeindir sem höfðu farið framhjá mönnum.

Þannig kom fljótlega í ljós að jáeindir verða til í náttúrunni í svonefndri β-sundrun geislavirkra atómkjarna, til dæmis kalíns-40 (⁴⁰K), og sömuleiðis myndast þær þegar γ-geislar frá geislavirkum kjörnum víxlverka við efni. Einnig fundu menn andeindir fleiri öreinda en rafeindarinnar, til dæmis róteindar og nifteindar, og nú á dögum er talið á að allar hlaðnar öreindir og auk þess óhlaðnar fermíeindir eigi sér andeindir.

Jáeindir hafa einnig fundist í geimgeislum. Menn létu sér í upphafi detta í hug að úti í geimnum gætu verið „eyjar“ sem væru gerðar úr andefni í stað efnis en nú er talið að svo sé ekki, heldur sé einfaldlega miklu meira af efni en andefni í heiminum, en við vitum ekki fyrir víst hvernig á því stendur. Engu að síður er tiltölulega auðvelt að mynda jáeindir í öreindahröðlum (e. accelerators) nútímans og rannsaka þær ásamt hinum sem finnast í náttúrunni.

Rafeindir og jáeindir hafa gagnstæða rafhleðslu og dragast því hvor að annarri og eyðast þegar þær koma saman eins og áður er sagt. Það nefnist pareyðing (e. pair annihilation). Mikið er af rafeindum í öllu föstu efni og vökvum. Ef jáeind kemur inn í slíkt efni eru því miklar líkur á að hún rekist á rafeind og þær eyðist. Jáeindir fara því yfirleitt ekki langt í slíku efni, kannski milllimetra eða svo. Líklegast er að við pareyðinguna myndist tvær ljóseindir, en stundum fleiri eða jafnvel aðrar eindir ef orkan er mikil. Ljóseindirnar er hægt að mæla og finna til dæmis hvar áreksturinn hefur orðið. Þetta hafa menn notfært sér í svonefndum jáeindaskönnum (e. positron emission tomographs) til þess að fá upplýsingar um efnaskipti til dæmis inni í mannslíkamanum, en um það er fjallað nánar í svari við spurningunni Hvað gerist í jáeindaskanna?

Heimildir og lesefni:

• Kragh, H. (1999). Quantum Generations: A History of Physics in the twentieth Century. Princeton: Princeton University Press.
• Pais, A. (1986). Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. Oxford: Clarendon Press.
• Greinar í Wikipediu á ensku um flettiorðin positron, electron, elementary particle, antiparticle, fermion, lepton, interaction og svo framvegis.

Mynd:

• Positron - Wikipedia. (Sótt 11.10.2018).

...