التفاعل ضعيف
هذا التفاعل هو الأضعف بين التفاعلات الأساسية التي تمت ملاحظتها تجريبيًا في اضمحلال الجسيمات الأولية، حيث تكون التأثيرات الكمومية ذات أهمية أساسية. دعونا نتذكر أن المظاهر الكمومية لتفاعل الجاذبية لم يتم ملاحظتها مطلقًا. ويتم تمييز التفاعل الضعيف باستخدام القاعدة التالية: إذا شارك في عملية التفاعل جسيم أولي يسمى النيوترينو (أو النيوترينو المضاد)، فإن هذا التفاعل يكون ضعيفًا.
التفاعل الضعيف أقوى بكثير من تفاعل الجاذبية.
التفاعل الضعيف، على عكس تفاعل الجاذبية، يكون قصير المدى. وهذا يعني أن القوة الضعيفة بين الجزيئات لا تلعب دورًا إلا إذا كانت الجزيئات قريبة بدرجة كافية من بعضها البعض. فإذا تجاوزت المسافة بين الجزيئات قيمة معينة تسمى نصف القطر المميز للتفاعل، فإن التفاعل الضعيف لا يظهر نفسه. وقد ثبت تجريبياً أن نصف القطر المميز للتفاعل الضعيف يبلغ حوالي 10-15 سم، أي أن التفاعل الضعيف يتركز على مسافات أصغر من حجم النواة الذرية.
لماذا يمكن أن نتحدث عن التفاعل الضعيف كنوع مستقل من التفاعل الأساسي؟ الجواب بسيط. لقد ثبت أن هناك عمليات تحول للجسيمات الأولية لا تقتصر على التفاعلات الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوية. أحد الأمثلة الجيدة التي توضح أن هناك ثلاثة تفاعلات مختلفة نوعيًا في الظواهر النووية يأتي من النشاط الإشعاعي. تشير التجارب إلى وجود ثلاثة أنواع مختلفة من النشاط الإشعاعي: الاضمحلال الإشعاعي أ، ب، وز. في هذه الحالة، يكون تحلل a ناتجًا عن تفاعل قوي، ويكون تحلل g ناتجًا عن التفاعل الكهرومغناطيسي. لا يمكن تفسير ما تبقى من اضمحلال b بالتفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية، ونحن مضطرون إلى قبول وجود تفاعل أساسي آخر يسمى التفاعل الضعيف. في الحالة العامة، ترجع الحاجة إلى إدخال تفاعل ضعيف إلى حقيقة حدوث عمليات في الطبيعة يتم فيها حظر الاضمحلال الكهرومغناطيسي والقوي بموجب قوانين الحفظ.
على الرغم من أن التفاعل الضعيف يتركز بشكل كبير داخل النواة، إلا أن له مظاهر عيانية معينة. وكما لاحظنا من قبل، فهو يرتبط بعملية النشاط الإشعاعي ب. بالإضافة إلى ذلك، يلعب التفاعل الضعيف دوراً مهماً فيما يسمى بالتفاعلات النووية الحرارية المسؤولة عن آلية إطلاق الطاقة في النجوم.
الخاصية الأكثر إثارة للدهشة للتفاعل الضعيف هي وجود عمليات يتجلى فيها عدم تناسق المرآة. للوهلة الأولى، يبدو واضحًا أن الفرق بين مفهومي اليسار واليمين هو فرق اعتباطي. في الواقع، فإن عمليات التفاعل الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوي ثابتة فيما يتعلق بالانعكاس المكاني، الذي يؤدي إلى انعكاس المرآة. يقال أنه في مثل هذه العمليات يتم الحفاظ على التكافؤ المكاني P، ومع ذلك، فقد ثبت تجريبيًا أن العمليات الضعيفة يمكن أن تستمر مع عدم الحفاظ على التكافؤ المكاني، وبالتالي، يبدو أنها تشعر بالفرق بين اليسار واليمين. حاليًا، هناك أدلة تجريبية قوية على أن عدم حفظ التكافؤ في التفاعلات الضعيفة هو أمر عالمي بطبيعته؛ فهو يتجلى ليس فقط في اضمحلال الجسيمات الأولية، ولكن أيضًا في الظواهر النووية وحتى الذرية. يجب أن ندرك أن عدم تناسق المرآة هو خاصية للطبيعة على المستوى الأساسي.
جميع الأجسام المشحونة، وجميع الجسيمات الأولية المشحونة تشارك في التفاعل الكهرومغناطيسي. وبهذا المعنى، فهو عالمي تمامًا. النظرية الكلاسيكية للتفاعل الكهرومغناطيسي هي الديناميكا الكهربائية لماكسويل. يتم أخذ شحنة الإلكترون e كثابت الاقتران.
إذا أخذنا في الاعتبار الشحنتين النقطيتين q1 و q2 في حالة سكون، فإن تفاعلهما الكهرومغناطيسي سينخفض إلى قوة كهروستاتيكية معروفة. وهذا يعني أن التفاعل طويل المدى ويضمحل ببطء مع زيادة المسافة بين الشحنات. يُصدر جسيم مشحون فوتونًا، مما يؤدي إلى تغير حالة حركته. ويمتص جسيم آخر هذا الفوتون ويغير أيضًا حالة حركته. ونتيجة لذلك، يبدو أن الجزيئات تستشعر وجود بعضها البعض. ومن المعروف أن الشحنة الكهربائية هي كمية بعدية. من الملائم تقديم ثابت الاقتران بدون أبعاد للتفاعل الكهرومغناطيسي. للقيام بذلك، تحتاج إلى استخدام الثوابت الأساسية و ج. ونتيجة لذلك، وصلنا إلى ثابت الاقتران عديم الأبعاد التالي، والذي يسمى ثابت البنية الدقيقة في الفيزياء الذرية
ومن السهل أن نرى أن هذا الثابت يتجاوز بشكل كبير ثوابت الجاذبية والتفاعلات الضعيفة.
من وجهة نظر حديثة، تمثل التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة جوانب مختلفة من تفاعل كهروضعيف واحد. تم إنشاء نظرية موحدة للتفاعل الكهرومغناطيسي - نظرية واينبرج-سلام-جلاشو، والتي تشرح جميع جوانب التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة من موقع موحد. هل من الممكن أن نفهم على المستوى النوعي كيف يحدث تقسيم التفاعل المدمج إلى تفاعلات منفصلة تبدو مستقلة؟
وطالما أن الطاقات المميزة صغيرة بما فيه الكفاية، فإن التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة تكون منفصلة ولا تؤثر على بعضها البعض. ومع زيادة الطاقة، يبدأ تأثيرها المتبادل، وعند طاقات عالية بما فيه الكفاية، تندمج هذه التفاعلات في تفاعل كهروضعيف واحد. تقدر طاقة التوحيد المميزة من حيث الحجم بـ 102 GeV (GeV اختصار لـ جيجا إلكترون فولت، 1 GeV = 109 eV، 1 eV = 1.6 10-12 erg = 1.6 1019 J). للمقارنة، نلاحظ أن الطاقة المميزة للإلكترون في الحالة الأرضية لذرة الهيدروجين تبلغ حوالي 10-8 جيجا إلكترون فولت، وطاقة الارتباط المميزة للنواة الذرية تبلغ حوالي 10-2 جيجا إلكترون فولت، وطاقة الارتباط المميزة لجسم صلب حوالي 10-10 جيجا إلكترون فولت. وهكذا فإن الطاقة المميزة للجمع بين التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة هائلة مقارنة بالطاقات المميزة في الفيزياء الذرية والنووية. ولهذا السبب، فإن التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة لا تظهر جوهرها الوحيد في الظواهر الفيزيائية العادية.
تفاعل قوي
التفاعل القوي هو المسؤول عن استقرار النوى الذرية. وبما أن النوى الذرية لمعظم العناصر الكيميائية مستقرة، فمن الواضح أن التفاعل الذي يمنعها من الاضمحلال يجب أن يكون قويًا جدًا. ومن المعروف أن النواة تتكون من بروتونات ونيوترونات. ولمنع البروتونات موجبة الشحنة من التشتت في اتجاهات مختلفة، من الضروري أن تكون هناك قوى تجاذب بينها تتجاوز قوى التنافر الكهروستاتيكي. إن التفاعل القوي هو المسؤول عن هذه القوى الجذابة.
السمة المميزة للتفاعل القوي هي استقلاليته. إن قوى الجذب النووية بين البروتونات، وبين النيوترونات، وبين البروتون والنيوترون هي نفسها في الأساس. ويترتب على ذلك أنه من وجهة نظر التفاعلات القوية، لا يمكن التمييز بين البروتون والنيوترون ويستخدم مصطلح واحد لهما، وهو الجسيم النووي.
لذلك، قمنا بمراجعة المعلومات الأساسية المتعلقة بالتفاعلات الأربعة الأساسية للطبيعة. يتم وصف المظاهر المجهرية والعيانية لهذه التفاعلات وصورة الظواهر الفيزيائية التي تلعب فيها دورًا مهمًا بإيجاز.
وزارة التعليم والعلوم في روسيا
المؤسسة التعليمية لميزانية الدولة الفيدرالية
التعليم المهني العالي
"جامعة سانت بطرسبرغ الحكومية الكهروتقنية "LETI" تحمل اسم في. آي. أوليانوف (لينين)"
(سببغيتو)
كلية الاقتصاد والإدارة
قسم الفيزياء
في تخصص "مفاهيم العلوم الطبيعية الحديثة"
في موضوع "التفاعل الضعيف"
تم الفحص:
ألتمارك ألكسندر مويسيفيتش
مكتمل:
طالب غرام. 3603
كوليسيتسكايا ماريا فلاديميروفنا
سانت بطرسبرغ
1. التفاعل الضعيف هو أحد التفاعلات الأربعة الأساسية
تاريخ الدراسة
دور في الطبيعة
القوة الضعيفة هي إحدى القوى الأساسية الأربع
القوة الضعيفة، أو القوة النووية الضعيفة، هي إحدى القوى الأساسية الأربع
التفاعل الضعيف قصير المدى - يتجلى على مسافات أصغر بكثير من حجم النواة الذرية
البوزونات المتجهة هي حاملات للتفاعل الضعيف
ولأول مرة، لوحظت تفاعلات ضعيفة أثناء اضمحلال النوى الذرية. وكما اتضح، ترتبط هذه التحللات بتحول البروتون إلى نيوترون في النواة والعكس صحيح:
ص؟ ن + ه+ + ?ه، ن ? ص + ه- + ه،
حيث n نيوترون، p بروتون، e- إلكترون، e هو إلكترون مضاد النيوترينو.
تنقسم الجسيمات الأولية عادة إلى ثلاث مجموعات:
) الفوتونات. وتتكون هذه المجموعة من جسيم واحد فقط - الفوتون - وهو كم من الإشعاع الكهرومغناطيسي؛
) لبتونات (من الكلمة اليونانية "ليبتوس" - الضوء)، وتشارك فقط في التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة. تشمل اللبتونات الإلكترون ونيوترينو الميون، والإلكترون، والميون، واللبتون الثقيل الذي تم اكتشافه في عام 1975 - تي ليبتون، أو التاون، بكتلة تبلغ حوالي 3487 ميغا، بالإضافة إلى الجسيمات المضادة المقابلة لها. يرجع اسم اللبتونات إلى حقيقة أن كتل اللبتونات الأولى المعروفة كانت أصغر من كتل جميع الجسيمات الأخرى. تشمل اللبتونات أيضًا النيوترينو السري، والذي تم إثبات وجوده مؤخرًا؛
) هادرون (من الكلمة اليونانية "adros" - كبير وقوي). تتمتع الهادرونات بتفاعلات قوية مع التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة. ومن بين الجسيمات التي تمت مناقشتها أعلاه، تشمل هذه الجسيمات البروتون والنيوترون والبيونات والكاونات.
خصائص التفاعل الضعيف
التفاعل الضعيف له خصائص مميزة:
جميع الفرميونات الأساسية تشارك في التفاعل الضعيف
تعمل العملية P على تغيير إشارة أي متجه قطبي
إن عملية الانعكاس المكاني تحول النظام إلى مرآة متماثلة. ويلاحظ تماثل المرآة في العمليات تحت تأثير التفاعلات القوية والكهرومغناطيسية. يعني تماثل المرآة في هذه العمليات أنه في حالات تماثل المرآة تتحقق التحولات بنفس الاحتمال.
ز.؟ حصل يانغ تشنينغ ولي زونغداو على جائزة نوبل في الفيزياء. لدراساته المتعمقة لما يسمى بقوانين التكافؤ، والتي أدت إلى اكتشافات مهمة في مجال الجسيمات الأولية.
بالإضافة إلى التكافؤ المكاني، فإن التفاعل الضعيف أيضًا لا يحافظ على تكافؤ الشحنة الفضائية المجمعة، أي أن التفاعل الوحيد المعروف ينتهك مبدأ ثبات CP
يعني تماثل الشحنة أنه إذا كانت هناك أي عملية تتضمن جسيمات، فعندما يتم استبدالها بالجسيمات المضادة (اقتران الشحنة)، فإن العملية موجودة أيضًا وتحدث بنفس الاحتمال. تماثل الشحنة غائب في العمليات التي تتضمن النيوترينوات والنيوترينوات المضادة. في الطبيعة، لا يوجد سوى النيوترينوات اليسرى والنيوترينوات المضادة اليمنى. إذا تم إخضاع كل من هذه الجسيمات (من أجل اليقين، سننظر في النيوترينو الإلكتروني والنيوترينو المضاد e) لعملية اقتران الشحنة، فإنها ستتحول إلى كائنات غير موجودة بأعداد الليبتونات والهليكوبتر.
وهكذا، في التفاعلات الضعيفة، يتم انتهاك الثبات P وC في وقت واحد. ومع ذلك، ماذا لو تم إجراء عمليتين متتاليتين على النيوترينو (النيوترينو المضاد)؟ التحولات P- وC (ترتيب العمليات ليس مهمًا)، ثم نحصل مرة أخرى على النيوترينوات الموجودة في الطبيعة. يسمى تسلسل العمليات و (أو بترتيب عكسي) تحويل CP. نتيجة تحويل CP (الانعكاس المشترك) لـ ?e وe هي كما يلي:
وهكذا، بالنسبة للنيوترينوات والنيوترينوات المضادة، فإن العملية التي تحول الجسيم إلى جسيم مضاد ليست عملية اقتران شحنة، بل تحويل CP.
تاريخ الدراسة
استمرت دراسة التفاعلات الضعيفة لفترة طويلة.
في عام 1896، اكتشف بيكريل أن أملاح اليورانيوم تنبعث منها إشعاعات مخترقة (γ اضمحلال الثوريوم). وكانت هذه بداية دراسة التفاعلات الضعيفة.
في عام 1930، طرح باولي فرضية مفادها أنه أثناء اضمحلال، تنبعث جسيمات الضوء المحايدة مع الإلكترونات (e). النيوترينو (؟). في نفس العام، اقترح فيرمي نظرية المجال الكمي لتحلل بيتا. إن اضمحلال النيوترون (ن) هو نتيجة لتفاعل تيارين: التيار الهادروني يحول النيوترون إلى بروتون (ع)، وينتج التيار اللبتوني زوجًا من الإلكترون والنيوترينو. في عام 1956، لاحظ رينز لأول مرة رد فعل إيه؟ ne+ في التجارب القريبة من المفاعل النووي.
شرح لي ويانغ التناقض في اضمحلال ميزونات K+ (؟ ~؟ لغز)؟ تتحلل إلى 2 و 3 بيونات. ويرتبط مع عدم الحفاظ على التكافؤ المكاني. تم اكتشاف عدم تناسق المرآة في اضمحلال بيتا للنوى، واضمحلال الميونات، والبيونات، والميزونات K، والهايبرونات.
في عام 1957، اقترح جيلمان، وفاينمان، ومارشاك، وسودارشان نظرية عالمية للتفاعل الضعيف تعتمد على بنية الكوارك للهادرونات. هذه النظرية، والتي تسمى نظرية V-A، أدت إلى وصف التفاعل الضعيف باستخدام مخططات فاينمان. في الوقت نفسه، تم اكتشاف ظواهر جديدة بشكل أساسي: انتهاك ثبات CP والتيارات المحايدة.
في الستينيات بقلم شيلدون لي جلاشو
في 1991-2001، تم إجراء دراسة حول اضمحلال بوزونات Z0 في مسرع LEP2 (CERN)، والتي أظهرت أنه في الطبيعة لا يوجد سوى ثلاثة أجيال من اللبتونات: ?e, ?? و؟؟.
دور في الطبيعة
التفاعل النووي ضعيف
العملية الأكثر شيوعا الناجمة عن التفاعل الضعيف هي الاضمحلال ب للنواة الذرية المشعة. ظاهرة النشاط الإشعاعي<#"justify">قائمة الأدب المستخدم
1. نوفوزيلوف يو.في. مقدمة في نظرية الجسيمات الأولية. م: ناوكا، 1972
أوكون ب. التفاعل الضعيف للجزيئات الأولية. م: فيزماتجيز، 1963
القارئ على دراية بالقوى ذات الطبيعة المختلفة التي تتجلى في التفاعلاتبين الهيئات. لكن أنواع مختلفة بشكل أساسي تفاعلالقليل جدا. وبصرف النظر عن الجاذبية، التي تلعب دورًا مهمًا فقط في وجود كتل ضخمة، فلا يُعرف سوى ثلاثة أنواع من التفاعلات: قويوالكهرومغناطيسية و ضعيف.
الكهرومغناطيسية تفاعلالجميع يعرف. بفضلهم، فإن الشحنة الكهربائية المتحركة بشكل غير متساو (على سبيل المثال، إلكترون في الذرة) تنبعث منها موجات كهرومغناطيسية (على سبيل المثال، الضوء المرئي). ترتبط جميع العمليات الكيميائية بهذه الفئة من التفاعلات، وكذلك جميع الظواهر الجزيئية - التوتر السطحي، والشعرية، والامتزاز، والسيولة. الكهرومغناطيسية تفاعل، والتي تم تأكيد نظريتها ببراعة من خلال التجربة، ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالشحنة الكهربائية ابتدائي جزيئات.
قوي تفاعلأصبح معروفًا فقط بعد اكتشاف البنية الداخلية للنواة الذرية. وفي عام 1932 اكتشف أنها تتكون من النيوكليونات والنيوترونات والبروتونات. وبالضبط قوي تفاعلربط النيوكليونات في النواة - هي المسؤولة عن القوى النووية، والتي، على عكس القوى الكهرومغناطيسية، تتميز بنطاق عمل قصير جدًا (حوالي 10-13، أي واحد على عشرة تريليون من السنتيمتر) وكثافة عالية. إلى جانب هذا، قوي تفاعلتظهر أثناء الاصطدامات جزيئاتالطاقات العالية التي تنطوي على البيونات وما يسمى "الغريبة" جزيئات.
من الملائم تقدير شدة التفاعلات باستخدام ما يسمى بالمسار الحر المتوسط جزيئاتفي بعض المواد، أي. على طول المسار المتوسط، الذي جسيميمكن أن تمر عبر هذه المادة حتى يحدث تصادم مدمر أو منحرف بقوة. ومن الواضح أنه كلما زاد متوسط المسار الحر، قل التفاعل.
إذا اعتبرنا جزيئاتطاقة عالية جدًا، ثم تصادمات تسببها قوية التفاعلات، تتميز بالمسار الحر جزيئات، وهو ما يعادل عشرات السنتيمترات من النحاس أو الحديد.
الوضع مختلف مع الضعيف التفاعلات. وكما قلنا من قبل، فإن متوسط المسار الحر للنيوترينوات في المادة الكثيفة يقاس بالوحدات الفلكية. يشير هذا إلى انخفاض كثافة التفاعلات الضعيفة بشكل مدهش.
أي عملية تفاعل ابتدائي جزيئاتوتتميز بزمن معين يحدد متوسط مدتها. العمليات الناجمة عن ضعف التفاعلات، غالبًا ما يطلق عليها اسم "بطيئة" لأن الوقت المناسب لها طويل نسبيًا.
ومع ذلك، قد يتفاجأ القارئ بأن الظاهرة التي تحدث، على سبيل المثال، خلال 10-6 (واحد من المليون من الثانية) تصنف على أنها بطيئة. هذا العمر نموذجي، على سبيل المثال، لاضمحلال الميون الناجم عن الضعف التفاعلات. ولكن يتم تعلم كل شيء عن طريق المقارنة. في العالم ابتدائي جزيئاتهذه الفترة الزمنية طويلة جدًا بالفعل. وحدة الطول الطبيعية في العالم المصغر هي 10-13 سم - نصف قطر عمل القوى النووية. ومنذ الابتدائية جزيئاتالطاقة العالية لها سرعة قريبة من سرعة الضوء (حوالي 1010 سم في الثانية)، فإن المقياس الزمني "العادي" لها سيكون 10-23 ثانية.
وهذا يعني أن الوقت الذي يتراوح بين 10 إلى 6 ثوانٍ بالنسبة لـ "مواطني" العالم الصغير أطول بكثير بالنسبة لي ولكم طوال فترة وجود الحياة على الأرض
التفاعل ضعيف
تفاعل قوي
التفاعل القوي قصير المفعول. نطاق عملها حوالي 10-13 سم.
تسمى الجسيمات المشاركة في التفاعلات القوية بالهادرونات. في المادة العادية المستقرة عند درجة حرارة ليست عالية جدًا، لا تسبب التفاعلات القوية أي عمليات. ويتمثل دورها في إنشاء رابطة قوية بين النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) في النوى. يبلغ متوسط طاقة الربط حوالي 8 MeV لكل نيوكليون. علاوة على ذلك، أثناء اصطدام النوى أو النيوكليونات ذات الطاقة العالية بما فيه الكفاية (في حدود مئات المي الكترون فولت)، يؤدي التفاعل القوي إلى تفاعلات نووية عديدة: الانشطار النووي، وتحول بعض النوى إلى أخرى، وما إلى ذلك.
بدءًا من طاقات النيوكليونات المتصادمة التي تصل إلى عدة مئات من الكيلو إلكترون فولت، يؤدي التفاعل القوي إلى إنتاج ميزونات P. عند الطاقات الأعلى، تولد ميزونات K والهايبرونات، والعديد من رنين الميزون والباريون (الرنينات عبارة عن حالات مثارة قصيرة العمر من الهادرونات).
وفي الوقت نفسه، اتضح أنه ليس كل الجزيئات تواجه تفاعلًا قويًا. وهكذا تتعرض لها البروتونات والنيوترونات، لكن الإلكترونات والنيوترينوات والفوتونات لا تخضع لها. عادةً ما تشارك الجسيمات الثقيلة فقط في التفاعلات القوية.
كان من الصعب تطوير التفسير النظري لطبيعة التفاعل القوي. لم يظهر الاختراق إلا في أوائل الستينيات، عندما تم اقتراح نموذج الكوارك. في هذه النظرية، لا تعتبر النيوترونات والبروتونات جسيمات أولية، بل أنظمة مركبة مبنية من الكواركات
كمات التفاعل القوي هي ثمانية غلوونات. حصلت الغلوونات على اسمها من الكلمة الإنجليزية الغراء، لأنها مسؤولة عن حبس الكواركات. أما باقي كتل الغلوونات فهي صفر. وفي الوقت نفسه، تتمتع الغلوونات بشحنة ملونة، تجعلها قادرة على التفاعل مع بعضها البعض، كما يقولون، التفاعل الذاتي، مما يؤدي إلى صعوبات في وصف التفاعل القوي رياضيا بسبب عدم خطيته.
نطاق عملها أقل من 10-15 سم. والتفاعل الضعيف أضعف بعدة مراتب ليس فقط من التفاعل القوي، ولكن أيضًا من التفاعل الكهرومغناطيسي. علاوة على ذلك، فهي أقوى بكثير من قوة الجاذبية في العالم المصغر.
العملية الأولى المكتشفة والأكثر شيوعًا الناتجة عن التفاعل الضعيف هي التحلل النووي الإشعاعي.
نشر على المرجع.rf
تم اكتشاف هذا النوع من النشاط الإشعاعي في عام 1896 على يد أ.أ. بيكوريليم. أثناء عملية اضمحلال الإلكترون المشع /ب - -/ أحد النيوترونات / ن/ تتحول النواة الذرية إلى بروتون / ص/ مع انبعاث الإلكترون / ه-/ والإلكترون المضاد //:
ن ® ع + ه-+
خلال عملية الاضمحلال البوزيتروني /b + -/ يحدث التحول التالي:
ص® ن + ه++
في النظرية الأولى للتحلل b، التي وضعها إ. فيرمي عام 1934، لشرح هذه الظاهرة، كان من الضروري تقديم فرضية وجود نوع خاص من القوى قصيرة المدى التي تسبب التحول
ن ® ع + ه-+
أظهرت الأبحاث الإضافية أن التفاعل الذي قدمه فيرمي له طابع عالمي.
نشر على المرجع.rf
فهو يتسبب في اضمحلال جميع الجسيمات غير المستقرة، التي لا تسمح كتلتها وقواعد الاختيار المبنية على الأعداد الكمومية لها بالاضمحلال بسبب التفاعل القوي أو الكهرومغناطيسي. التفاعل الضعيف متأصل في جميع الجسيمات باستثناء الفوتونات. الوقت المميز لعمليات التفاعل الضعيف عند طاقات تصل إلى 100 ميجا فولت هو 13-14 مرة أطول من الوقت المميز للتفاعل القوي.
الكميات الضعيفة للتفاعل هي ثلاثة بوزونات - W + , W − , Z°- بوزونات. تشير الحروف الفوقية إلى علامة الشحنة الكهربائية لهذه الكمات. كمات التفاعل الضعيف لها كتلة كبيرة، مما يؤدي إلى حقيقة أن التفاعل الضعيف يظهر على مسافات قصيرة جدًا.
ويجب أن يؤخذ في الاعتبار أن التفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية اليوم قد تم دمجها بالفعل في نظرية واحدة. هناك عدد من المخططات النظرية التي تحاول إنشاء نظرية موحدة لجميع أنواع التفاعل. ومع ذلك، فإن هذه المخططات لم يتم تطويرها بعد بدرجة كافية لاختبارها تجريبيا.
26. الفيزياء الإنشائية. النهج الجسيمي لوصف وتفسير الطبيعة. الاختزالية
كائنات الفيزياء الهيكلية هي عناصر بنية المادة (على سبيل المثال، الجزيئات والذرات والجسيمات الأولية) وتكوين أكثر تعقيدًا منها. هذا:
1) بلازما -وهو غاز يتأين فيه جزء كبير من الجزيئات أو الذرات.
2) بلورات- هي المواد الصلبة التي يتم فيها ترتيب الذرات أو الجزيئات بطريقة منظمة وتشكل بنية داخلية متكررة بشكل دوري؛
3) السوائل- هذه هي حالة تجميع المادة التي تجمع بين خصائص الحالة الصلبة (الحفاظ على الحجم، وقوة شد معينة) والحالة الغازية (تقلب الشكل).
ويتميز السائل بما يلي:
أ) الترتيب قصير المدى في ترتيب الجزيئات (الجزيئات، الذرات)؛
ب) اختلاف بسيط في الطاقة الحركية للحركة الحرارية وطاقة تفاعلها المحتملة.
4) نجوم,ᴛ.ᴇ. كرات الغاز المتوهجة (البلازما).
عند تحديد المعادلات الهيكلية للمادة، يتم استخدام المعايير التالية:
الأبعاد المكانية: الجسيمات من نفس المستوى لها أبعاد مكانية من نفس الترتيب (على سبيل المثال، جميع الذرات لها أبعاد في حدود 10 -8 سم)؛
وقت العملية: عند أحد المستويات يكون تقريبًا بنفس الترتيب من حيث الحجم؛
الأجسام التي لها نفس المستوى تتكون من نفس العناصر (على سبيل المثال، تتكون جميع النوى من بروتونات ونيوترونات)؛
تختلف القوانين التي تشرح العمليات على مستوى ما اختلافًا نوعيًا عن القوانين التي تشرح العمليات على مستوى آخر؛
تختلف الكائنات على مستويات مختلفة في خصائصها الأساسية (على سبيل المثال، جميع الذرات محايدة كهربائيًا، وجميع النوى مشحونة بشحنة كهربائية موجبة).
مع اكتشاف مستويات جديدة من البنية وحالات المادة، يتوسع المجال الموضوعي للفيزياء الهيكلية.
ويجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه عند حل مشاكل جسدية محددة، فإن القضايا المتعلقة بتوضيح البنية والتفاعل والحركة تتشابك بشكل وثيق.
في جذور الفيزياء البنيوية يوجد نهج جسيمي لوصف الطبيعة وتفسيرها.
لأول مرة، ظهر مفهوم الذرة باعتبارها الجسيم الأخير وغير القابل للتجزئة من الجسم في اليونان القديمة في إطار التعاليم الفلسفية الطبيعية لمدرسة ليوكيبوس ديموقريطوس. ووفقا لهذا الرأي، هناك ذرات فقط في العالم تتحرك في الفراغ. اعتبر علماء الذرة القدماء أن استمرارية المادة أمر واضح. تشكل مجموعات مختلفة من الذرات أجسامًا مرئية مختلفة. لم تكن هذه الفرضية مبنية على بيانات تجريبية. لقد كانت مجرد تخمين رائع. لكنها حددت التطور الإضافي للعلوم الطبيعية لقرون عديدة قادمة.
تم إحياء فرضية الذرات باعتبارها جسيمات غير قابلة للتجزئة من المادة في العلوم الطبيعية، وخاصة في الفيزياء والكيمياء، لشرح بعض القوانين التي تم وضعها تجريبيا (على سبيل المثال، قوانين بويل-ماريوت وجاي-لوساك للغازات المثالية، والتمدد الحراري للغازات المثالية). الهيئات، الخ.). في الواقع، ينص قانون بويل ماريوت على أن حجم الغاز يتناسب عكسيا مع ضغطه، لكنه لا يفسر سبب ذلك. وبالمثل، عندما يسخن الجسم، يزداد حجمه. ولكن ما هو سبب هذا التوسع؟ في النظرية الحركية للمادة، يتم شرح هذه الأنماط وغيرها من الأنماط المثبتة تجريبيًا بمساعدة الذرات والجزيئات.
في الواقع، يتم تفسير الانخفاض الملحوظ والقابل للقياس بشكل مباشر في ضغط الغاز مع زيادة حجمه في النظرية الحركية للمادة على أنه زيادة في المسار الحر للذرات والجزيئات المكونة له. ونتيجة لذلك يزداد الحجم الذي يشغله الغاز. وبالمثل، فإن تمدد الأجسام عند تسخينها في النظرية الحركية للمادة يفسر بزيادة متوسط سرعة حركة الجزيئات.
تسمى التفسيرات التي يحاولون فيها اختزال خصائص المواد أو الأجسام المعقدة إلى خصائص عناصرها أو مكوناتها الأبسط الاختزالية.مكنت طريقة التحليل هذه من حل فئة كبيرة من المشكلات في العلوم الطبيعية.
حتى نهاية القرن التاسع عشر. كان يعتقد أن الذرة هي أصغر جسيمات المادة غير القابلة للتجزئة وغير الهيكلية. وفي الوقت نفسه، أظهرت اكتشافات الإلكترون والنشاط الإشعاعي أن الأمر ليس كذلك. ظهور نموذج رذرفورد الكوكبي للذرة. ثم تم استبدالها بالعارضة N. Bora. ولكن كما كان من قبل، يهدف فكر الفيزيائيين إلى اختزال مجموعة كاملة من الخصائص المعقدة للأجسام والظواهر الطبيعية إلى الخصائص البسيطة لعدد صغير من الجسيمات الأولية. وبعد ذلك تم تسمية هذه الجسيمات ابتدائي. الآن يتجاوز العدد الإجمالي 350. ولهذا السبب، من غير المرجح أن تسمى جميع هذه الجزيئات أولية حقا، ولا تحتوي على عناصر أخرى. ومما يعزز هذا الاعتقاد فرضية وجود الكواركات. ووفقا له، تتكون الجسيمات الأولية المعروفة من جسيمات ذات شحنات كهربائية كسرية. يطلق عليهم الكواركات.
وفقاً لنوع التفاعل الذي تشارك فيه الجسيمات الأولية، تصنف جميعها، باستثناء الفوتون، إلى مجموعتين:
1) الهادرونات. ويجدر القول أنهم يتميزون بوجود تفاعل قوي. علاوة على ذلك، يمكنهم أيضًا المشاركة في التفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية؛
2) اللبتونات. Οʜᴎ تشارك فقط في التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة؛
وفقا لعمرهم، فهي تتميز:
أ) الجسيمات الأولية المستقرة. هذه هي الإلكترون والفوتون والبروتون والنيوترينو.
ب) شبه مستقرة. وهي جسيمات تتحلل بسبب التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة. على سبيل المثال، إلى + ® m + +؛
ج) غير مستقر. Οʜᴎ الاضمحلال بسبب التفاعل القوي، على سبيل المثال، النيوترون.
الشحنات الكهربائية للجسيمات الأولية هي مضاعفات أصغر شحنة متأصلة في الإلكترون. في الوقت نفسه، يتم تقسيم الجسيمات الأولية إلى أزواج الجسيمات - الجسيمات المضادة، على سبيل المثال e - - e + (لديهم نفس الخصائص، وعلامات الشحنة الكهربائية معاكسة). تحتوي الجسيمات المحايدة كهربائيًا أيضًا على جسيمات مضادة، على سبيل المثال، ع -،- .
لذا فإن المفهوم الذري يقوم على فكرة البنية المنفصلة للمادة. يشرح النهج الذري خصائص الجسم المادي بناءً على خصائص أصغر جزيئاته، والتي تعتبر في مرحلة معينة من الإدراك غير قابلة للتجزئة. تاريخيًا، تم التعرف على هذه الجسيمات في البداية على أنها ذرات، ثم جسيمات أولية، والآن على أنها كواركات. وتكمن صعوبة هذا النهج في الاختزال الكامل للمعقد إلى البسيط، الذي لا يأخذ في الاعتبار الاختلافات النوعية بينهما.
حتى نهاية الربع الأول من القرن العشرين، كانت فكرة وحدة بنية الكون الكلي والصغرى تُفهم ميكانيكيًا، باعتبارها الهوية الكاملة للقوانين والتشابه الكامل لبنية كليهما.
تم تفسير الجسيمات الدقيقة على أنها نسخ مصغرة من الأجسام الكبيرة. ككرات صغيرة جدًا (جسيمات) تتحرك في مدارات دقيقة تشبه تمامًا مدارات الكواكب، مع الفارق الوحيد هو أن الأجرام السماوية مرتبطة بقوى التفاعل الجاذبية، والجسيمات الدقيقة مرتبطة بقوى التفاعل الكهربائي.
بعد اكتشاف الإلكترون (طومسون، 1897)، وإنشاء نظرية الكم (بلانك، 1900)، وإدخال مفهوم الفوتون (أينشتاين، 1905)، اكتسبت النظرية الذرية طابعًا جديدًا.
نشر على المرجع.rf
امتدت فكرة الانفصال إلى مجال الظواهر الكهربائية والخفيفة، إلى مفهوم الطاقة (في القرن التاسع عشر، كانت عقيدة الطاقة بمثابة مجال الأفكار حول الكميات المستمرة ووظائف الدولة). إن أهم سمة للتدريس الذري الحديث هي ذرية الفعل. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن حركة وخصائص وحالات الكائنات الدقيقة المختلفة قابلة للتكميم، ᴛ.ᴇ. يتم التعبير عنها في شكل كميات ونسب منفصلة. تعترف النظرية الذرية الجديدة بالاستقرار النسبي لكل نوع منفصل من المادة، ويقينها النوعي، وعدم قابليتها للتجزئة وعدم قابلية التحول ضمن الحدود المعروفة للظواهر الطبيعية. على سبيل المثال، كونها قابلة للقسمة في بعض الطرق الفيزيائية، فإن الذرة غير قابلة للقسمة كيميائيًا، ᴛ.ᴇ. وفي العمليات الكيميائية يتصرف كشيء كامل وغير قابل للتجزئة. الجزيء، القابل للقسمة كيميائيًا إلى ذرات، في الحركة الحرارية (حتى حدود معينة) يتصرف ككل، غير قابل للتجزئة، وما إلى ذلك.
من المهم بشكل خاص في مفهوم النظرية الذرية الجديدة الاعتراف بقابلية التحويل البيني لأي أنواع منفصلة من المادة.
المستويات المختلفة للتنظيم الهيكلي للواقع المادي (الكواركات، الجسيمات الدقيقة، النوى، الذرات، الجزيئات، الأجسام الكبيرة، الأنظمة الضخمة) لها قوانينها الفيزيائية المحددة. ولكن مهما كانت الظواهر التي تتم دراستها مختلفة عن الظواهر التي تدرسها الفيزياء الكلاسيكية، فإن جميع البيانات التجريبية يجب أن توصف باستخدام المفاهيم الكلاسيكية. هناك فرق جوهري بين وصف سلوك الكائن الدقيق قيد الدراسة ووصف عمل أدوات القياس. وهذا نتيجة لحقيقة أن عمل أدوات القياس، من حيث المبدأ، ينبغي أن يوصف بلغة الفيزياء الكلاسيكية، ولكن الكائن قيد الدراسة قد لا يوصف بهذه اللغة.
لقد تم دائمًا دمج النهج الجسيمي في تفسير الظواهر والعمليات الفيزيائية مع نهج الاستمرارية منذ ظهور فيزياء التفاعل. وقد تم التعبير عنه في مفهوم المجال والكشف عن دوره في التفاعل الجسدي. إن تمثيل المجال كتدفق لنوع معين من الجسيمات (نظرية المجال الكمي) وإسناد خصائص الموجة إلى أي جسم مادي (فرضية لويس دي برولي) جمع بين هذين النهجين لتحليل الظواهر الفيزيائية.
التفاعل الضعيف – المفهوم والأنواع. تصنيف ومميزات فئة "التفاعل الضعيف" 2017، 2018.
في عام 1896، اكتشف العالم الفرنسي هنري بيكريل النشاط الإشعاعي في اليورانيوم. كانت هذه أول إشارة تجريبية حول قوى الطبيعة غير المعروفة سابقًا - التفاعل الضعيف. ونحن نعلم الآن أن القوة الضعيفة تقف وراء العديد من الظواهر المألوفة - على سبيل المثال، تشارك في بعض التفاعلات النووية الحرارية التي تدعم إشعاع الشمس والنجوم الأخرى.
جاء اسم "ضعيف" إلى هذا التفاعل بسبب سوء الفهم - على سبيل المثال، بالنسبة للبروتون فهو أقوى بـ 1033 مرة من تفاعل الجاذبية (انظر الجاذبية، وحدة الطبيعة هذه). هذا بالأحرى تفاعل مدمر، القوة الوحيدة في الطبيعة التي لا تربط المادة ببعضها، بل تدمرها فقط. ويمكن للمرء أيضًا أن يطلق عليه "غير المبدئي"، لأنه في التدمير لا يأخذ في الاعتبار مبادئ التكافؤ المكاني والانعكاس الزمني، التي تلاحظها القوى الأخرى.
أصبحت الخصائص الأساسية للتفاعل الضعيف معروفة في ثلاثينيات القرن العشرين، وذلك بفضل عمل الفيزيائي الإيطالي إي. فيرمي. اتضح أنه، على عكس قوى الجاذبية والقوى الكهربائية، فإن القوى الضعيفة لها نطاق عمل قصير جدًا. في تلك السنوات، يبدو أنه لم يكن هناك دائرة نصف قطرها من العمل على الإطلاق - حدث التفاعل عند نقطة واحدة في الفضاء، وعلاوة على ذلك، على الفور. هذا التفاعل فعليًا (لفترة قصيرة) يحول كل بروتون في النواة إلى نيوترون، وبوزيترون إلى بوزيترون ونيوترينو، وكل نيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد. في النوى المستقرة (انظر النواة الذرية)، تظل هذه التحولات افتراضية، مثل الإنشاء الافتراضي لأزواج الإلكترون والبوزيترون أو أزواج البروتون والبروتون المضاد في الفراغ.
إذا كان الفرق في كتل النوى التي تختلف حسب شحنة واحدة كبيرًا بدرجة كافية، فإن هذه التحولات الافتراضية تصبح حقيقية، وتغير النواة شحنتها بمقدار 1، فتصدر إلكترونًا ونيوترينو مضاد (اضمحلال الإلكترون) أو بوزيترون ونيوترينو ( اضمحلال البوزيترون). تمتلك النيوترونات كتلة تتجاوز بحوالي 1 MeV مجموع كتلتي البروتون والإلكترون. ولذلك، فإن النيوترون الحر يضمحل إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد، ويطلق طاقة تبلغ حوالي 1 ميغا إلكترون فولت. يبلغ عمر النيوترون الحر حوالي 10 دقائق، على الرغم من أنه في حالة الارتباط، على سبيل المثال، في الديوترون، الذي يتكون من نيوترون وبروتون، تعيش هذه الجسيمات إلى أجل غير مسمى.
يحدث حدث مماثل مع الميون (انظر الببتونات) - فهو يضمحل إلى إلكترون ونيوترينو ونيوترينو مضاد. قبل أن يتحلل، يعيش الميون حوالي c - أقل بكثير من النيوترون. وقد فسرت نظرية فيرمي ذلك بالاختلاف في كتل الجسيمات المعنية. كلما زادت الطاقة المنطلقة أثناء الاضمحلال، زادت سرعة حدوثها. يبلغ إطلاق الطاقة أثناء الاضمحلال حوالي 100 ميجا إلكترون فولت، أي ما يقرب من 100 مرة أكبر من الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء اضمحلال النيوترون. إن عمر الجسيم يتناسب عكسيا مع القوة الخامسة لهذه الطاقة.
وكما تبين في العقود الأخيرة، فإن التفاعل الضعيف هو تفاعل غير محلي، أي أنه لا يحدث بشكل فوري وليس في نقطة واحدة. وفقا للنظرية الحديثة، فإن التفاعل الضعيف لا ينتقل على الفور، ولكن يولد زوج افتراضي من الإلكترون ومضاد النيوترينو بعد أن يتحول الميون إلى نيوترينو، ويحدث هذا على مسافة سم. لا يمكن لأي مسطرة أو مجهر واحد أن يفعل ذلك بالطبع، قم بقياس هذه المسافة الصغيرة، تمامًا كما لا يمكن لأي ساعة توقيت قياس مثل هذه الفترة الزمنية الصغيرة. وكما هو الحال دائمًا تقريبًا، في الفيزياء الحديثة، يجب علينا أن نكتفي بالبيانات غير المباشرة. يبني الفيزيائيون فرضيات مختلفة حول آلية العملية ويختبرون جميع أنواع النتائج المترتبة على هذه الفرضيات. يتم تجاهل تلك الفرضيات التي تتعارض مع تجربة موثوقة واحدة على الأقل، ويتم إجراء تجارب جديدة لاختبار ما تبقى منها. واستمرت هذه العملية في حالة التفاعل الضعيف نحو 40 عامًا، حتى اقتنع الفيزيائيون بأن التفاعل الضعيف تحمله جسيمات فائقة الكتلة - أثقل من البروتون بـ 100 مرة. هذه الجسيمات لها دوران 1 وتسمى البوزونات المتجهات (تم اكتشافها عام 1983 في CERN، سويسرا - فرنسا).
يوجد بوزونان متجهان مشحونان وواحد محايد (الرمز الموجود في الأعلى، كالعادة، يشير إلى الشحنة بوحدات البروتون). "يعمل" البوزون المتجه المشحون في اضمحلال النيوترون والميون. يظهر مسار اضمحلال الميون في الشكل. (أعلاه، يمين). تسمى هذه الرسومات مخططات فاينمان؛ فهي لا توضح العملية فحسب، بل تساعد أيضًا في حسابها. هذا نوع من الاختصار لصيغة احتمالية حدوث رد فعل؛ يتم استخدامه هنا لأغراض التوضيح فقط.
يتحول الميون إلى نيوترينو، وينبعث منه بوزون، والذي يضمحل إلى إلكترون ونيوترينو مضاد. والطاقة المنطلقة لا تكفي للولادة الحقيقية للبوزون، لذلك يولد افتراضيا، أي لفترة قصيرة جدا. في هذه الحالة هو س. خلال هذا الوقت، المجال المقابل للبوزون ليس لديه الوقت لتكوين موجة، أو جسيم حقيقي (انظر الحقول والجسيمات). تتشكل جلطة حقلية بحجم سم، وبعد c يولد منها إلكترون ونيوترينو مضاد.
بالنسبة لتحلل النيوترون، سيكون من الممكن رسم نفس المخطط، ولكن هنا قد يضللنا بالفعل. والحقيقة هي أن حجم النيوترون هو سم، وهو أكبر 1000 مرة من نصف قطر عمل القوى الضعيفة. ولذلك فإن هذه القوى تؤثر داخل النيوترون حيث توجد الكواركات. يُطلق أحد كواركات النيوترونات الثلاثة بوزونًا، ويتحول إلى كوارك آخر. شحنة الكواركات في النيوترون هي: -1/3، -1/3، وبالتالي فإن أحد الكواركين ذوي الشحنة السالبة -1/3 يتحول إلى كوارك بشحنة موجبة. وستكون النتيجة كواركات بشحنات 1/3، 2/3، 2/3، والتي تشكل معًا بروتونًا. منتجات التفاعل - الإلكترون ومضاد النيوترينو - تطير بحرية خارج البروتون. لكنه كوارك أصدر بوزونًا. حصلت على الركلة وبدأت التحرك في الاتجاه المعاكس. لماذا لا يطير؟
يتم تجميعها معًا من خلال تفاعل قوي. سيحمل هذا التفاعل الكوارك مع رفيقيه غير المنفصلين، مما يؤدي إلى بروتون متحرك. وفقًا لمخطط مشابه، يحدث اضمحلال ضعيف (مرتبط بالتفاعل الضعيف) للهادرونات المتبقية. تتلخص جميعها في انبعاث بوزون متجه بواسطة أحد الكواركات، وانتقال هذا البوزون المتجه إلى لبتونات (، و-جسيمات) والتوسع الإضافي في منتجات التفاعل.
ومع ذلك، في بعض الأحيان، يحدث أيضًا اضمحلال الهادرونات: يمكن أن يضمحل البوزون المتجه إلى زوج من الكواركات والكواركات المضادة، والذي سيتحول إلى ميزونات.
لذا، فإن عددًا كبيرًا من التفاعلات المختلفة يرجع إلى تفاعل الكواركات واللبتونات مع البوزونات المتجهة. وهذا التفاعل عالمي، أي أنه هو نفسه بالنسبة للكواركات واللبتونات. إن عالمية التفاعل الضعيف، على عكس عالمية التفاعل الجاذبية أو الكهرومغناطيسي، لم تتلق بعد تفسيرا شاملا. وفي النظريات الحديثة، يتم دمج التفاعل الضعيف مع التفاعل الكهرومغناطيسي (انظر وحدة قوى الطبيعة).
حول كسر التماثل بواسطة التفاعل الضعيف، انظر التكافؤ، النيوترينوات. يتحدث المقال وحدة قوى الطبيعة عن مكانة القوى الضعيفة في صورة العالم الصغير