Fizyka cząstek elementarnych w życiu codziennym

Poszukiwania podstawowych składników wszechświata rozpoczęły się dopiero w XIX wieku, kiedy Compton i de Broglie odkryli odpowiednio kwantową naturę promieni rentgenowskich i falowe właściwości cząstek.
Jedna z technik fizyki cząstek elementarnych opiera się na domieszkowaniu. Wiąże się to z wprowadzeniem „zanieczyszczeń” do kryształów krzemu w celu zmodyfikowania ich właściwości elektrycznych.

Inne zastosowanie znajduje się w przemyśle spożywczym, gdzie napromienianie stosuje się w celu wydłużenia okresu przydatności do spożycia artykułów spożywczych.
Na przykład we Francji w 2014 r. 370 000 hektarów upraw słonecznika – czyli 56% produkcji – uprawiano z sadzonek uzyskanych w drodze mutagenezy (napromieniowanie promieniowaniem gamma).
Fizyka cząstek elementarnych znajduje również zastosowanie w medycynie, umożliwiając eliminację komórek z krwi w workach używanych do transfuzji, ale także do obrazowania medycznego.
Poszukiwania natury fundamentalnych składników Wszechświata rozpoczęły się tak naprawdę na początku XX wieku . „Atomy” wyobrażone przez Demokryta 300 lat przed Chrystusem naprawdę zaczęto rozumieć, gdy zdano sobie sprawę, że wbrew ich etymologii (a-tomos = niezniszczalny, to, czego nie można podzielić na mniejsze elementy), same atomy składają się z jeszcze mniejszych elementów .

Cząstki, które w obecnym stanie rzeczy są najbardziej podstawowymi elementami materii. Jednak, jak to często bywa w ewolucji nauki, badania, które początkowo nie służyły żadnemu innemu celowi niż szczegółowe zrozumienie praw przyrody i jej składników, doprowadziły do zastosowań, które głęboko zmieniły nasze codzienne życie. Jak fizyka cząstek elementarnych znalazła drogę do naszego codziennego życia?

Ogólna zasada jest często taka sama: skieruj wiązkę cząstek na cel i zbadaj lub wykorzystaj jej efekty. W zależności od rodzaju użytej cząstki i wybranego celu konsekwencje (i zastosowania) będą bardzo różne.

Atomy dla elektroniki

Zacznijmy od czegoś, bez czego ten artykuł nie mógłby powstać: elektroniki.

Podstawową zasadą całej nowoczesnej elektroniki jest użycie krzemu, który należy do klasy „półprzewodników”. Półprzewodnik charakteryzuje się liczbą posiadanych nośników ładunku (elektronów lub przerw elektronowych zwanych „dziurami”). Aby zwiększyć tę liczbę nośników ładunku, do kryształu krzemu wprowadza się „zanieczyszczenia”, atomy, które dodają lub usuwają elektrony, a tym samym lokalnie modyfikują właściwości elektryczne ośrodka. Nazywa się to dopingiem.

Domieszkowanie musi być przeprowadzone w niezwykle precyzyjny sposób: jedna część kryształu krzemu musi być domieszkowana nadmiarem elektronów, a kilka mikrometrów głębiej druga część musi być domieszkowana atomami usuwającymi te elektrony.

Sztuczne wstawienie tych atomów domieszkujących można wykonać poprzez „implantację jonów”: są one przyspieszane przez pole elektryczne, które nadaje im większą lub mniejszą energię, co pozwala im wnikać mniej lub bardziej głęboko w podłoże, aby domieszkować określone warstwy w dokładnie określone głębokości.

Napromienianie materiałów

Napromienianie materiałów może być dobrowolne lub mimowolne. Ale we wszystkich przypadkach modyfikuje ich mikrostrukturę i dlatego będzie używany lub badany w celu lepszego zrozumienia właściwości tych materiałów i ich ewolucji w czasie.

Implantacja jonów to proces obróbki powierzchni, który może być również stosowany w wielu sytuacjach innych niż elektronika. Pozwala na modyfikację składu chemicznego i struktury powierzchni materiału. W zależności od charakteru podłoża i wszczepionego jonu, niektóre właściwości mechaniczne lub chemiczne powierzchni (twardość, odporność na zużycie, zmęczenie, odporność na korozję itp.) mogą być optymalizowane bez zmiany jej głównych właściwości.

Zjawisko starzenia pod wpływem napromieniowania jest badane głównie w sektorze jądrowym. W sercu dzisiejszych elektrowni jądrowych stal jest poddawana intensywnemu promieniowaniu z radioaktywnych prętów paliwowych wykorzystywanych do zasilania instalacji. Na przykład zbiornik reaktora jest elementem niewymienialnym. Istotne jest, aby znać i przewidywać starzenie się jego struktury na przestrzeni dziesięcioleci użytkowania.

Wytrzymałość stali ciśnieniowego reaktora wodnego przed (niebieskim) i po (zielonym) napromieniowaniem ©CEA 2
Ale ta praca przyda się także kolejnym generacjom reaktorów, których warunki temperaturowe i napromieniowania będą jeszcze bardziej wymagające niż obecnie, nie mówiąc już o przyszłych reaktorach fuzji termojądrowej, takich jak ITER , których materiały w kontakcie z plazmą poddawane są intensywnemu naświetlaniu neutronami.

Fizyka cząstek elementarnych i życie

W przemyśle spożywczym napromienianie żywności jest jedną z metod stosowanych w celu przedłużenia trwałości żywności. Technika ta umożliwia zatrzymanie procesu kiełkowania (ziemniaki, nasiona itp.) oraz zabicie pasożytów, pleśni i mikroorganizmów odpowiedzialnych za psucie się i/lub gnicie żywności.

W tym celu wykorzystuje się trzy rodzaje promieniowania: promienie rentgenowskie lub promienie gamma (ɣ) (które są dwoma rodzajami promieniowania elektromagnetycznego, podobnie jak światło, ale których energia jest znacznie wyższa niż część widoczna dla oka) lub akceleratory elektronów .

Jednak technika ta nie sterylizuje całkowicie żywności (która nadal wymaga odpowiedniego zapakowania i ugotowania), ale spowalnia psucie się i pozwala na dłuższe przechowywanie. Zapobiega również składaniu jaj przez owady i inne szkodniki w świeżych produktach i ich niszczeniu.

Promieniowanie gamma jest również wykorzystywane w rolnictwie. Nazywa się to mutagenezą przez promieniowanie gamma. Zasada polega na symulowaniu (i przyspieszaniu) procesu mutacji genetycznych, który występuje naturalnie w świecie żywym. Technika ta, stosowana od lat pięćdziesiątych XX wieku, umożliwia selekcję nowych szczepów roślin o korzystnych mutacjach (smak, kolor, wzrost, wielkość owoców itp.).
Na przykład we Francji w 2014 r. 370 000 hektarów upraw słonecznika – czyli 56% produkcji – uprawiano z sadzonek uzyskanych w drodze mutagenezy. W Teksasie 75% uprawianych grejpfrutów to odmiany Rio Star (bardziej czerwone i słodsze), również produkowane w procesie mutagenezy.

Fizyka cząstek elementarnych i medycyna

Środowisko medyczne również korzysta z zalet akceleratorów elektronów w zakresie sprzętu do sterylizacji. Wykorzystanie radioaktywnych źródeł cezu 137 umożliwia również obróbkę worków z krwią za pomocą emitowanego promieniowania gamma w celu wyeliminowania niektórych komórek, które mogą wywołać śmiertelną chorobę u pacjentów wymagających transfuzji. Roztwory soli używane do czyszczenia i przechowywania soczewek kontaktowych są również sterylizowane przez napromieniowanie.

W medycynie nuklearnej wykorzystanie reaktorów jądrowych lub akceleratorów cząstek pozwala na tworzenie związków radioaktywnych, które nie występują naturalnie na Ziemi (rozpadają się bowiem w czasie od minut do dni). Pierwiastki te są jednak bardzo ważne, zarówno w diagnostyce obrazowej (np. pozytonowa tomografia emisyjna wykorzystująca pierwiastek promieniotwórczy: Fluor-18 czy scyntygrafia z technetem-99), jak i w zakresie terapii (jod 131 w leczeniu raka tarczycy ).

Skan PET (Pozytonowa Tomografia Emisyjna), w którym radioaktywny atom fluoru-18 jest związany z cząsteczkami glukozy (po lewej) i dopaminy (po prawej). Źródło: Frederic Compte dla Mednuc.net 3
Obecnie opracowywana jest nowa technika napromieniania guzów nowotworowych: hadronoterapia. Ta technika wykorzystuje akcelerator cząstek do celowania w guzy wewnątrz ciała pacjenta, które są trudne do leczenia innymi konwencjonalnymi technikami (często guzy mózgu). Jest to niezwykle celowana technika radioterapii, której zalety w zakresie precyzji i ochrony radiologicznej pacjentów dają podstawy do nadziei, że oprócz Niemiec i Włoch w najbliższych latach może powstać ośrodek we Francji.