NEJLEPŠÍ JE ANTIHMOTA

Všimněme si nyní dalších způsobů uvolňování energie a vzájemně je porovnejme. Povídali jsme si již o štěpení těžkých jader, kde můžeme využít až 0,1 % klidové energie štěpeného jádra, a o slučování lehkých jader, které je ještě 7x výhodnější. Tyto procesy probíhají v důsledku působení jaderných sil. Hovořili jsme však také o atomech a molekulách. Jaké zde jsou možnosti pro uvolňování energie?
   Každý atom se skládá z kladně nabitého jádra a záporně nabitého elektronového obalu. Zatímco v jádře působí mezi nukleony zejména jaderné síly, mezi elektrony a jádrem jsou to síly elektromagnetické. Stejné síly jsou zodpovědné i za soudržnost molekul stabilních skupin atomů.

Schéma hoření.
Tento typ reakce vede v konečném důsledku
k výrobě elektrické energie v klasických uhelných elektrárnách.
Využití klidové energie je 0,000 000 01 %.
Opačná reakce probíhá jako fotosyntéza v živých rostlinách a spotřebovává se přitom energie slunečního záření.

Podívejme se z energetického hlediska na známou reakci spalování, která probíhá např. v uhelných elektrárnách:
C + O2 ®CO2+ teplo.
Je zjištěno, že energie uvolněná při vzniku 1 molekuly CO2 z C a O2 je 4,1 eV.
V jednotkách u: 4,1/931,494.106 = 4,4.10-9 u. Jaká část klidové energie C a O2 se uvolnila? Klidová hmotnost atomu uhlíku je 12 u, molekula kyslíku má klidovou hmotnost přibližně 2 krát 16 u = 32 u (kyslík má v jádře 16 nukleonů), dohromady máme hodnotu
44 u. Uvolněná část klidové energie je
4,4.10-9u/44 u =10-10!. Hořením se tedy uvolní pouze 0,1 miliardtiny klidové energie interagujících atomů. Jinak řečeno je výtěžek energie při spalování uhlí nebo jiných fosilních paliv pouze 0,000 000 01 %.

Podobný výpočet bychom mohli provést i pro jiné chemické reakce, při nichž se uvolňuje energie. Např. pro výbušnou reakci hoření vodíku 2H2 + O2 ®2H2O bychom pro uvolněný podíl klidové energie vodíku a kyslíku dostali hodnotu 1,5. 10 na -10, tedy řádově stejný výsledek jako pro reakci spalování.
Porovnejme si nyní "účinnost" jednotlivých reakcí:
výtěžek energie při chemických reakcích ~ 10-10
výtěžek energie při jaderném štěpení ~ 10-3
výtěžek energie při jaderné syntéze ~ 10-2

Jaderné palivo je tedy přibližně deset až stomilionkrát “výhřevnější" než chemické palivo. Příčinou takového rozdílu je skutečnost, že nukleony v jádře atomu jsou mnohem silněji vázány jadernými silami než atomy v molekule silami elektromagnetickými.

Viděli jsme, že jaderné štěpení a syntéza jsou reakce opravdu efektivní. Ale nejvíce klidové energie se uvolňuje při tzv. anihilaci částice s antičásticí. V roce 1928 britský fyzik P A. M. Dirac uveřejnil teorii, ze které mimo jiné vyplýval překvapující výsledek: existence částice se stejnou hmotností jako elektron, ale s kladným elektrickým nábojem.

Schéma anihilace - částice elektron
se svou antičásticí pozitronem.
Setká-li se částice s antičásticí,
dojde k anihilaci, při které se uvolní jejich klidová energie a změní se
v příslušné množství záření.
Využití klidové energie je až 100%.

Tato částice dostala název pozitron (antičástice
k elektronu) a v roce 1932 byla skutečně objevena
v kosmickém záření. O dva roky později pak byl tento partner elektronu vyroben i uměle v laboratorních podmínkách. Z Diracovy teorie ale také plyne, že pokud elektron interaguje s pozitronem, dojde k jejich zániku (anihilaci) a přeměně na fotony elektromagnetického záření.
   Později výzkumy ukázaly, že existence antičástice není výsadou jen elektronu, ale že každá částice má svou antičástici. Látku vytvořenou z antičástic nazýváme antihmotou. Setká-li se částice s antičásticí, navzájem zanikají za uvolnění příslušného množství energie.
Při procesu e+ + e- ®2 g se celá klidová hmotnost pozitronu a elektronu změní na 2 fotony záření gama. Využití klidové energie je 100% !
   Proces anihilace hmoty a antihmoty se jeví z hlediska efektivnosti jako ideální zdroj energie. "Výhřevnost" anihilačního paliva je 100 až 1 000krát větší než u jaderného paliva (štěpení, syntéza). Na druhé straně však nemá anihilace elementárních částic jako zdroj energie praktický význam, neboť pro vytvoření podmínek, při kterých může probíhat, je zapotřebí vynaložit daleko více energie, než se uvolní při anihilaci. Obrovská energie je nutná pro umělé získání antičástic.