Слабо взаимодействие
Това взаимодействие е най-слабото от фундаменталните взаимодействия, експериментално наблюдавани при разпадането на елементарни частици, където квантовите ефекти са фундаментално значими. Нека припомним, че никога не са наблюдавани квантови прояви на гравитационно взаимодействие. Слабото взаимодействие се отличава с помощта на следното правило: ако в процеса на взаимодействие участва елементарна частица, наречена неутрино (или антинеутрино), тогава това взаимодействие е слабо.
Слабото взаимодействие е много по-интензивно от гравитационното взаимодействие.
Слабото взаимодействие, за разлика от гравитационното, е с малък обсег. Това означава, че слабата сила между частиците влиза в действие само ако частиците са достатъчно близо една до друга. Ако разстоянието между частиците надвишава определена стойност, наречена характерен радиус на взаимодействие, слабото взаимодействие не се проявява. Експериментално е установено, че характерният радиус на слабото взаимодействие е около 10-15 cm, т.е. слабото взаимодействие се концентрира на разстояния, по-малки от размера на атомното ядро.
Защо можем да говорим за слабо взаимодействие като самостоятелен тип фундаментално взаимодействие? Отговорът е лесен. Установено е, че има процеси на трансформация на елементарни частици, които не се свеждат до гравитационни, електромагнитни и силни взаимодействия. Добър пример, показващ, че има три качествено различни взаимодействия в ядрените явления, идва от радиоактивността. Експериментите показват наличието на три различни типа радиоактивност: a-, b- и g-радиоактивен разпад. В този случай a-разпадът се дължи на силно взаимодействие, g-разпадът се дължи на електромагнитно взаимодействие. Останалият b-разпад не може да се обясни с електромагнитните и силните взаимодействия и ние сме принудени да приемем, че има друго фундаментално взаимодействие, наречено слабо. В общия случай необходимостта от въвеждане на слабо взаимодействие се дължи на факта, че в природата протичат процеси, при които електромагнитните и силните разпади са забранени от законите за запазване.
Въпреки че слабото взаимодействие е значително концентрирано в ядрото, то има определени макроскопични прояви. Както вече отбелязахме, той е свързан с процеса на b-радиоактивност. В допълнение, слабото взаимодействие играе важна роля в така наречените термоядрени реакции, отговорни за механизма на освобождаване на енергия в звездите.
Най-удивителното свойство на слабото взаимодействие е наличието на процеси, при които се проявява огледална асиметрия. На пръв поглед изглежда очевидно, че разликата между понятията ляво и дясно е произволна. Действително, процесите на гравитационно, електромагнитно и силно взаимодействие са инвариантни по отношение на пространствената инверсия, която осъществява огледално отражение. Твърди се, че при такива процеси пространственият паритет P се запазва, но експериментално е установено, че слабите процеси могат да протичат с неспазване на пространствения паритет и следователно изглежда усещат разликата между ляво и дясно. Понастоящем има солидни експериментални доказателства, че неспазването на паритета в слабите взаимодействия е универсално по природа; то се проявява не само в разпадането на елементарни частици, но и в ядрени и дори атомни явления. Трябва да се признае, че огледалната асиметрия е свойство на природата на най-фундаменталното ниво.
Всички заредени тела, всички заредени елементарни частици участват в електромагнитно взаимодействие. В този смисъл той е доста универсален. Класическата теория на електромагнитното взаимодействие е електродинамиката на Максуел. Електронният заряд e се приема като константа на свързване.
Ако разгледаме два точкови заряда q1 и q2 в покой, тогава тяхното електромагнитно взаимодействие ще бъде намалено до известна електростатична сила. Това означава, че взаимодействието е на дълги разстояния и се разпада бавно с увеличаване на разстоянието между зарядите. Заредена частица излъчва фотон, което води до промяна на нейното състояние на движение. Друга частица поглъща този фотон и също променя състоянието си на движение. В резултат на това частиците сякаш усещат присъствието една на друга. Добре известно е, че електрическият заряд е размерна величина. Удобно е да се въведе безразмерната константа на свързване на електромагнитното взаимодействие. За да направите това, трябва да използвате основните константи и c. В резултат на това стигаме до следната безразмерна константа на свързване, наречена константа на фината структура в атомната физика
Лесно се вижда, че тази константа значително надвишава константите на гравитационните и слабите взаимодействия.
От съвременна гледна точка електромагнитните и слабите взаимодействия представляват различни аспекти на едно електрослабо взаимодействие. Създадена е единна теория за електрослабото взаимодействие - теорията на Вайнберг-Салам-Глашоу, която обяснява всички аспекти на електромагнитните и слабите взаимодействия от единна позиция. Възможно ли е да се разбере на качествено ниво как става разделянето на комбинираното взаимодействие на отделни, привидно независими взаимодействия?
Докато характеристичните енергии са достатъчно малки, електромагнитните и слабите взаимодействия са разделени и не си влияят едно на друго. С нарастването на енергията започва тяхното взаимно влияние и при достатъчно високи енергии тези взаимодействия се сливат в едно електрослабо взаимодействие. Характерната енергия на обединение се оценява по големина на 102 GeV (GeV е съкращение от гигаелектрон-волт, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). За сравнение отбелязваме, че характеристичната енергия на електрон в основно състояние на водороден атом е около 10-8 GeV, характеристичната енергия на свързване на атомно ядро е около 10-2 GeV, а характеристичната енергия на свързване на твърдо вещество е около 10-10 GeV. Така характеристичната енергия на комбинацията от електромагнитни и слаби взаимодействия е огромна в сравнение с характеристичните енергии в атомната и ядрената физика. Поради тази причина електромагнитните и слабите взаимодействия не проявяват своята единствена същност в обикновените физически явления.
Силно взаимодействие
Силното взаимодействие е отговорно за стабилността на атомните ядра. Тъй като атомните ядра на повечето химични елементи са стабилни, ясно е, че взаимодействието, което ги предпазва от разпад, трябва да е доста силно. Добре известно е, че ядрата се състоят от протони и неутрони. За да се предотврати разсейването на положително заредените протони в различни посоки, е необходимо да има привличащи сили между тях, които надвишават силите на електростатичното отблъскване. Именно силното взаимодействие е отговорно за тези привличащи сили.
Характерна особеност на силното взаимодействие е неговата зарядова независимост. Ядрените сили на привличане между протони, между неутрони и между протон и неутрон са по същество еднакви. От това следва, че от гледна точка на силните взаимодействия протон и неутрон са неразличими и за тях се използва един термин нуклон, тоест ядрена частица.
И така, прегледахме основната информация относно четирите основни взаимодействия на природата. Описани са накратко микроскопичните и макроскопските прояви на тези взаимодействия и картината на физическите явления, в които те играят важна роля.
МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА НА РУСИЯ
Федерална държавна бюджетна образователна институция
висше професионално образование
"Санкт-Петербургски държавен електротехнически университет "ЛЭТИ" на името на В. И. Улянов (Ленин)"
(СПбГЕТУ)
Факултет по икономика и управление
Катедра по физика
По дисциплината "Концепции на съвременното естествознание"
по темата "Слабо взаимодействие"
Проверено:
Алтмарк Александър Моисеевич
Завършено:
студент гр. 3603
Колисецкая Мария Владимировна
Санкт Петербург
1. Слабото взаимодействие е едно от четирите основни взаимодействия
История на изследването
Роля в природата
Слабата сила е една от четирите основни сили
Слабата сила или слабата ядрена сила е една от четирите основни сили
Слабото взаимодействие е с малък обсег - проявява се на разстояния значително по-малки от размера на атомното ядро
Векторните бозони са носители на слабото взаимодействие
За първи път са наблюдавани слаби взаимодействия при разпадането на атомните ядра. И както се оказа, тези разпадания са свързани с превръщането на протон в неутрон в ядрото и обратно:
r? n + e+ + ?e, n ? p + e- + e,
където n е неутрон, p е протон, e- е електрон, ??e е електронно антинеутрино.
Обикновено елементарните частици се разделят на три групи:
) фотони; тази група се състои само от една частица - фотон - квант електромагнитно излъчване;
) лептони (от гръцки „leptos” - светлина), участващи само в електромагнитни и слаби взаимодействия. Лептоните включват електронното и мюонното неутрино, електрона, мюона и тежкия лептон, открит през 1975 г. - t-лептон, или таон, с маса приблизително 3487me, както и съответните им античастици. Името лептони се дължи на факта, че масите на първите известни лептони са били по-малки от масите на всички останали частици. Лептоните също включват тайното неутрино, чието съществуване също беше установено наскоро;
) адрони (от гръцки „adros” - голям, силен). Адроните имат силни взаимодействия заедно с електромагнитни и слаби. От обсъдените по-горе частици, те включват протон, неутрон, пиони и каони.
Свойства на слабото взаимодействие
Слабото взаимодействие има отличителни свойства:
Всички фундаментални фермиони участват в слабо взаимодействие
Операция P променя знака на всеки полярен вектор
Операцията на пространствена инверсия превръща системата в огледално симетрична. Огледална симетрия се наблюдава при процеси под влияние на силни и електромагнитни взаимодействия. Огледалната симетрия в тези процеси означава, че в огледално-симетрични състояния преходите се реализират с еднаква вероятност.
Г. ? Yang Zhenning, Li Zongdao получи Нобелова награда за физика. За задълбочените си изследвания на така наречените паритетни закони, довели до важни открития в областта на елементарните частици.
В допълнение към пространствения паритет, слабото взаимодействие също не запазва комбинирания паритет на пространствения заряд, тоест единственото известно взаимодействие нарушава принципа на CP инвариантност
Симетрията на заряда означава, че ако има някакъв процес, включващ частици, тогава когато те се заменят с античастици (конюгиране на заряд), процесът също съществува и се случва със същата вероятност. Зарядовата симетрия отсъства в процеси, включващи неутрино и антинеутрино. В природата съществуват само леви неутрино и десни антинеутрино. Ако всяка от тези частици (за по-голяма сигурност ще разгледаме електронното неутрино? e и антинеутрино e) се подложи на операцията на конюгиране на заряда, тогава те ще се превърнат в несъществуващи обекти с лептонни числа и спиралности.
Така при слаби взаимодействия P- и C-инвариантността се нарушават едновременно. Но какво ще стане, ако се извършат две последователни операции върху неутрино (антинеутрино)? P- и C-трансформации (редът на операциите не е важен), тогава отново получаваме неутрино, които съществуват в природата. Последователността от операции и (или в обратен ред) се нарича CP трансформация. Резултатът от CP трансформацията (комбинирана инверсия) на ?e и e е както следва:
По този начин, за неутрино и антинеутрино, операцията, която трансформира частица в античастица, не е операция за конюгиране на заряд, а CP трансформация.
История на изследването
Проучването на слабите взаимодействия продължи дълго време.
През 1896 г. Бекерел открива, че урановите соли излъчват проникваща радиация (γ разпадане на торий). Това беше началото на изследването на слабите взаимодействия.
През 1930 г. Паули излага хипотезата, че по време на ?-разпадане заедно с електроните (e) се излъчват светлинни неутрални частици? неутрино (?). През същата година Ферми предлага квантова полева теория на β-разпадането. Разпадането на неутрон (n) е следствие от взаимодействието на два тока: адронният ток превръща неутрона в протон (p), лептонният ток произвежда двойка електрон + неутрино. През 1956 г. Reines за първи път наблюдава реакцията на er? ne+ в експерименти в близост до ядрен реактор.
Лий и Янг обясниха парадокса в разпада на K+ мезоните (? ~ ? мистерия)? разпадат се на 2 и 3 пиона. Свързва се с неспазване на пространствения паритет. Огледална асиметрия е открита при β-разпадането на ядрата, разпадането на мюони, пиони, К-мезони и хиперони.
През 1957 г. Гел-Ман, Фейнман, Маршак и Сударшан предлагат универсална теория за слабото взаимодействие, базирана на кварковата структура на адроните. Тази теория, наречена V-A теория, доведе до описание на слабото взаимодействие с помощта на диаграми на Файнман. В същото време бяха открити принципно нови явления: нарушение на CP инвариантността и неутрални токове.
През 60-те години от Шелдън Лий Глашоу
През 1991-2001 г. в ускорителя LEP2 (CERN) е проведено изследване на разпада на Z0 бозони, което показва, че в природата има само три поколения лептони: ?e, ?? И??.
Роля в природата
ядреното взаимодействие е слабо
Най-често срещаният процес, причинен от слабо взаимодействие, е b-разпадането на радиоактивните атомни ядра. Феномен радиоактивност<#"justify">Списък на използваната литература
1. Новожилов Ю.В. Въведение в теорията на елементарните частици. М.: Наука, 1972
Окун Б. Слабо взаимодействие на елементарни частици. М.: Физматгиз, 1963
Читателят е запознат със сили от различно естество, които се проявяват в взаимодействиямежду телата. Но принципно различни видове взаимодействиемного малко. Освен гравитацията, която играе значителна роля само при наличието на огромни маси, тогава са известни само три вида взаимодействия: силен, електромагнитни и слаб.
Електромагнитна взаимодействиевсички знаят. Благодарение на тях неравномерно движещ се електрически заряд (да речем електрон в атом) излъчва електромагнитни вълни (например видима светлина). Всички химични процеси са свързани с този клас взаимодействия, както и всички молекулярни явления - повърхностно напрежение, капилярност, адсорбция, течливост. Електромагнитна взаимодействие, чиято теория е блестящо потвърдена от опита, са дълбоко свързани с електрическия заряд елементарен частици.
Силен взаимодействиестана известно едва след откриването на вътрешната структура на атомното ядро. През 1932 г. е открито, че се състои от нуклони, неутрони и протони. И то точно силен взаимодействиесвързват нуклони в ядрото - отговарят за ядрените сили, които, за разлика от електромагнитните, се характеризират с много кратък обхват на действие (около 10-13, т.е. една десеттрилионна от сантиметъра) и висока интензивност. Освен това, силен взаимодействиесе появяват по време на сблъсък частицивисоки енергии, включващи пиони и така наречените "странни" частици.
Удобно е да се оцени интензивността на взаимодействията, като се използва така нареченият среден свободен път частицив някакво вещество, т.е. по средната дължина на пътя, която частицаможе да премине през това вещество, докато настъпи разрушителен или силно отклоняващ сблъсък. Ясно е, че колкото по-дълъг е средният свободен път, толкова по-малко интензивно е взаимодействието.
Ако вземем предвид частицимного висока енергия, след това сблъсъци, причинени от силни взаимодействия, се характеризират със свободния път частици, съответстващи по порядък на големина на десетки сантиметри в мед или желязо.
Ситуацията е различна при слабите взаимодействия. Както вече казахме, средният свободен пробег на неутрино в плътна материя се измерва в астрономически единици. Това показва изненадващо ниска интензивност на слабите взаимодействия.
Всеки процес взаимодействие елементарен частицихарактеризиращ се с определено време, което определя средната му продължителност. Процеси, причинени от слаб взаимодействия, често се наричат „бавни“, защото времето за тях е относително дълго.
Читателят обаче може да се изненада, че явление, което се случва за, да речем, 10-6 (една милионна от секундата) се класифицира като бавно. Този живот е типичен например за разпада на мюон, причинен от слаб взаимодействия. Но всичко се учи чрез сравнение. в света елементарен частицитакъв период от време наистина е доста дълъг. Естествената единица за дължина в микрокосмоса е 10-13 сантиметра – радиусът на действие на ядрените сили. И то от начално частицивисока енергия имат скорост, близка до скоростта на светлината (около 1010 сантиметра в секунда), тогава "нормалната" времева скала за тях ще бъде 10-23 секунди.
Това означава, че времето от 10-6 секунди за „гражданите“ на микросвета е много по-дълго, отколкото за вас и мен целият период на съществуване на живот на Земята
Слабо взаимодействие
Силно взаимодействие
Силното взаимодействие е с кратко действие. Обсегът му на действие е около 10-13см.
Частиците, участващи в силни взаимодействия, се наричат адрони. В обикновено стабилно вещество при не много висока температура силните взаимодействия не предизвикват никакви процеси. Неговата роля е да създава силна връзка между нуклоните (протони и неутрони) в ядрата. Енергията на свързване е средно около 8 MeV на нуклон. Освен това, по време на сблъсък на ядра или нуклони с достатъчно висока енергия (от порядъка на стотици MeV), силното взаимодействие води до множество ядрени реакции: ядрено делене, превръщане на едни ядра в други и др.
Започвайки от енергии на сблъскващи се нуклони от порядъка на няколкостотин MeV, силното взаимодействие води до производството на P-мезони. При още по-високи енергии се раждат K-мезони и хиперони, както и много мезонни и барионни резонанси (резонансите са краткотрайни възбудени състояния на адроните).
В същото време се оказа, че не всички частици изпитват силно взаимодействие. Така протоните и неутроните го изпитват, но електроните, неутриното и фотоните не са подложени на него. Обикновено само тежки частици участват в силни взаимодействия.
Теоретичното обяснение на природата на силното взаимодействие беше трудно да се развие. Пробив се появява едва в началото на 60-те години, когато е предложен моделът на кварка. В тази теория неутроните и протоните се разглеждат не като елементарни частици, а като съставни системи, изградени от кварки
Квантите на силното взаимодействие са осем глуона. Глуоните получават името си от английската дума glue, защото те са отговорни за задържането на кварките. Масите на покой на глуоните са нула. В същото време глуоните имат цветен заряд, поради което са способни да взаимодействат помежду си, както се казва, на самовзаимодействие, което води до трудности при математическото описание на силното взаимодействие поради неговата нелинейност.
Обсегът му на действие е по-малък от 10-15 см. Слабото взаимодействие е с няколко порядъка по-слабо не само от силното, но и от електромагнитното. Нещо повече, тя е много по-силна от гравитационната сила в микрокосмоса.
Първият открит и най-често срещан процес, причинен от слабото взаимодействие, е радиоактивният ядрен b-разпад.
Публикувано на реф.рф
Този вид радиоактивност е открит през 1896 г. от A.A. Бекерелем. При процеса на разпадане на радиоактивен електрон /b - -/ един от неутроните / п/атомното ядро се превръща в протон/ r/ с електронно излъчване / д-/ и електронно антинеутрино //:
n ® p + e-+
По време на процеса на позитронно /b + -/ разпадане се получава следният преход:
p® n + e++
В първата теория на b-разпадането, създадена през 1934 г. от Е. Ферми, за да се обясни това явление, беше необходимо да се въведе хипотезата за съществуването на специален тип къси сили, които причиняват прехода
n ® p + e-+
Допълнителни изследвания показват, че въведеното от Ферми взаимодействие има универсален характер.
Публикувано на реф.рф
Той причинява разпадането на всички нестабилни частици, чиито маси и правила за подбор, базирани на квантови числа, не им позволяват да се разпадат поради силно или електромагнитно взаимодействие. Слабото взаимодействие е присъщо на всички частици, с изключение на фотоните. Характерното време на процесите на слабо взаимодействие при енергии от порядъка на 100 MeV е с 13-14 порядъка по-дълго от характерното време за силно взаимодействие.
Квантите на слабото взаимодействие са три бозона - W + , W − , Z°- бозони. Горните индекси показват знака на електрическия заряд на тези кванти. Квантите на слабото взаимодействие имат значителна маса, което води до факта, че слабото взаимодействие се проявява на много къси разстояния.
Трябва да се има предвид, че днес слабите и електромагнитните взаимодействия вече са обединени в една теория. Съществуват редица теоретични схеми, които се опитват да създадат единна теория за всички видове взаимодействия. Тези схеми обаче все още не са достатъчно развити, за да бъдат тествани експериментално.
26. Строителна физика. Корпускуларен подход към описанието и обяснението на природата. Редукционизъм
Обектите на структурната физика са елементите на структурата на материята (напр. молекули, атоми, елементарни частици) и по-сложна формация от тях. това:
1) плазма -това е газ, в който значителна част от молекулите или атомите са йонизирани;
2) кристали- това са твърди тела, в които атомите или молекулите са подредени по подреден начин и образуват периодично повтаряща се вътрешна структура;
3) течности- това е състояние на агрегиране на вещество, което съчетава характеристиките на твърдо състояние (запазване на обема, определена якост на опън) и газообразно състояние (променливост на формата).
Течността се характеризира с:
а) близък ред в подреждането на частиците (молекули, атоми);
б) малка разлика в кинетичната енергия на топлинното движение и тяхната потенциална енергия на взаимодействие.
4) звезди,ᴛ.ᴇ. светещи газови (плазмени) топки.
При идентифициране на структурни уравнения на вещество се използват следните критерии:
Пространствени размери: частиците от едно и също ниво имат пространствени размери от същия порядък (например всички атоми имат размери от порядъка на 10 -8 cm);
Процесно време: на едно ниво е приблизително еднакъв порядък;
Обекти от едно и също ниво се състоят от едни и същи елементи (например всички ядра се състоят от протони и неутрони);
Законите, които обясняват процесите на едно ниво, са качествено различни от законите, които обясняват процесите на друго ниво;
Обектите на различни нива се различават по своите основни свойства (например всички атоми са електрически неутрални и всички ядра са положително електрически заредени).
Тъй като се откриват нови нива на структура и състояния на материята, обектната област на структурната физика се разширява.
Трябва да се има предвид, че при решаването на специфични физически проблеми, въпросите, свързани с изясняването на структурата, взаимодействието и движението, са тясно преплетени.
В основата на структурната физика е корпускулярният подход за описание и обяснение на природата.
За първи път концепцията за атома като последната и неделима частица на тялото възниква в Древна Гърция в рамките на натурфилософските учения на школата на Левкип-Демокрит. Според тази гледна точка в света има само атоми, които се движат в празнотата. Древните атомисти смятали непрекъснатостта на материята за очевидна. Различни комбинации от атоми образуват различни видими тела. Тази хипотеза не се основава на експериментални данни. Тя беше просто брилянтно предположение. Но това определи по-нататъшното развитие на естествените науки за много векове напред.
Хипотезата за атомите като неделими частици на материята беше възродена в естествените науки, по-специално във физиката и химията, за да се обяснят някои закони, които бяха установени експериментално (например законите на Бойл-Мариот и Гей-Лусак за идеални газове, топлинното разширение на тела и др.). Всъщност законът на Бойл-Мариот гласи, че обемът на газ е обратно пропорционален на неговото налягане, но не обяснява защо това е така. По същия начин, когато едно тяло се нагрява, размерът му се увеличава. Но каква е причината за това разширяване? В кинетичната теория на материята тези и други експериментално установени модели се обясняват с помощта на атоми и молекули.
Наистина, пряко наблюдаваното и измеримо намаляване на налягането на газа с увеличаване на неговия обем в кинетичната теория на материята се обяснява като увеличаване на свободния път на съставните му атоми и молекули. В резултат на това обемът, зает от газа, се увеличава. По същия начин разширяването на телата при нагряване в кинетичната теория на материята се обяснява с увеличаване на средната скорост на движещите се молекули.
Обясненията, при които се опитват да намалят свойствата на сложните вещества или тела до свойствата на техните по-прости елементи или компоненти, се наричат редукционизъм.Този метод на анализ направи възможно решаването на голям клас проблеми в естествените науки.
До края на 19в. Смятало се е, че атомът е най-малката, неделима, безструктурна частица материя. В същото време откритията на електрона и радиоактивността показаха, че това не е така. Появява се планетарният модел на атома на Ръдърфорд. Тогава тя е заменена от модела Н. Бора. Но както и преди, мисълта на физиците е насочена към намаляване на цялото разнообразие от сложни свойства на телата и природните явления до простите свойства на малък брой първични частици. Впоследствие тези частици бяха наречени елементарен. Сега общият им брой надхвърля 350. Поради тази причина е малко вероятно всички такива частици да се нарекат наистина елементарни, несъдържащи други елементи. Тази вяра се подсилва от хипотезата за съществуването на кварките. Според него известните елементарни частици се състоят от частици с дробни електрически заряди. Те се наричат кварки.
Според вида на взаимодействието, в което участват елементарните частици, всички те, с изключение на фотона, се класифицират в две групи:
1) адрони. Струва си да се каже, че те се характеризират с наличието на силно взаимодействие. Освен това те могат да участват и в слаби и електромагнитни взаимодействия;
2) лептони. Οʜᴎ участват само в електромагнитни и слаби взаимодействия;
Според продължителността на живота се разграничават:
а) стабилни елементарни частици. Това са електрон, фотон, протон и неутрино;
б) квазистабилен. Това са частици, които се разпадат поради електромагнитни и слаби взаимодействия. Например, към + ® m + +;
в) нестабилен. Οʜᴎ разпадане поради силно взаимодействие, например, неутрон.
Електрическите заряди на елементарните частици са кратни на най-малкия заряд, присъщ на електрона. В същото време елементарните частици се разделят на двойки частица - античастица, например e - - e + (те имат еднакви характеристики, а знаците на електрическия заряд са противоположни). Електрически неутралните частици също имат античастици, напр. p -,- .
И така, атомистичната концепция се основава на идеята за дискретната структура на материята. Атомният подход обяснява свойствата на физическия обект въз основа на свойствата на най-малките му частици, които на определен етап от познанието се считат за неделими. Исторически такива частици първо са били разпознавани като атоми, след това като елементарни частици, а сега като кварки. Трудността на този подход е пълното свеждане на сложното до простото, което не отчита качествените различия между тях.
До края на първата четвърт на ХХ век идеята за единството на структурата на макро- и микрокосмоса се разбира механистично, като пълна идентичност на законите и като пълно сходство в структурата на двете.
Микрочастиците бяха интерпретирани като миниатюрни копия на макротела, ᴛ.ᴇ. като изключително малки топчета (корпускули), движещи се по точни орбити, които са напълно подобни на орбитите на планетите, с единствената разлика, че небесните тела са свързани от силите на гравитационното взаимодействие, а микрочастиците от силите на електрическото взаимодействие.
След откриването на електрона (Томсън, 1897 г.), създаването на квантовата теория (Планк, 1900 г.) и въвеждането на понятието фотон (Айнщайн, 1905 г.), атомната теория придобива нов характер.
Публикувано на реф.рф
Идеята за дискретност беше разширена до областта на електрическите и светлинните явления, до концепцията за енергия (през 19 век учението за енергията служи като сфера на идеи за непрекъснати количества и функции на състоянието). Най-важната характеристика на съвременното атомно учение е атомизмът на действието. Това се дължи на факта, че движението, свойствата и състоянията на различни микро-обекти са податливи на квантуване, ᴛ.ᴇ. се изразяват под формата на дискретни величини и съотношения. Новият атомизъм признава относителната стабилност на всеки отделен тип материя, нейната качествена сигурност, нейната относителна неделимост и нетрансформируемост в рамките на познатите граници на природните явления. Например, бидейки делим по някои физически начини, атомът е неделим химически, ᴛ.ᴇ. в химичните процеси се държи като нещо цяло, неделимо. Молекулата, която е химически делима на атоми, при топлинно движение (до определени граници) се държи като цяло, неделимо и т.н.
Особено важно в концепцията на новия атомизъм е признаването на взаимопреобразуемостта на всеки отделен тип материя.
Различните нива на структурна организация на физическата реалност (кварки, микрочастици, ядра, атоми, молекули, макротела, мегасистеми) имат свои специфични физични закони. Но без значение колко различни са изследваните явления от явленията, изучавани от класическата физика, всички експериментални данни трябва да бъдат описани с помощта на класически концепции. Има принципна разлика между описанието на поведението на изследвания микрообект и описанието на действието на измервателните уреди. Това е резултат от факта, че действието на измервателните уреди по принцип трябва да бъде описано на езика на класическата физика, но изследваният обект може да не бъде описан с този език.
Корпускулярният подход при обяснение на физичните явления и процеси винаги е бил комбиниран с континуалния подход от възникването на физиката на взаимодействието. Тя се изразява в концепцията за полето и разкриването на неговата роля във физическото взаимодействие. Представянето на полето като поток от определен вид частици (квантовата теория на полето) и приписването на вълнови свойства на всеки физически обект (хипотезата на Луи дьо Бройл) обедини тези два подхода към анализа на физическите явления.
Слабо взаимодействие – понятие и видове. Класификация и характеристики на категорията "Слабо взаимодействие" 2017, 2018.
През 1896 г. френският учен Анри Бекерел открива радиоактивността в урана. Това беше първият експериментален сигнал за неизвестни досега природни сили - слабо взаимодействие. Сега знаем, че слабата сила стои зад много познати явления - например, тя участва в някои термоядрени реакции, които поддържат излъчването на Слънцето и други звезди.
Името „слабо“ дойде до това взаимодействие поради недоразумение - например за протон то е 1033 пъти по-силно от гравитационното взаимодействие (виж Гравитация, Това единство на природата). Това е по-скоро разрушително взаимодействие, единствената сила на природата, която не държи субстанцията заедно, а само я разрушава. Би могло да се нарече и „безпринципно“, тъй като при унищожаването то не взема предвид принципите на пространствения паритет и времевата обратимост, които се спазват от други сили.
Основните свойства на слабото взаимодействие станаха известни още през 30-те години на миналия век, главно благодарение на работата на италианския физик Е. Ферми. Оказа се, че за разлика от гравитационните и електрическите сили, слабите сили имат много малък обсег на действие. В онези години изглеждаше, че изобщо няма радиус на действие - взаимодействието се извършва в една точка на пространството и освен това мигновено. Това взаимодействие практически (за кратко време) превръща всеки протон на ядрото в неутрон, позитрон в позитрон и неутрино и всеки неутрон в протон, електрон и антинеутрино. В стабилните ядра (вижте Атомно ядро) тези трансформации остават виртуални, като виртуалното създаване на двойки електрон-позитрон или двойки протон-антипротон във вакуум.
Ако разликата в масите на ядрата, които се различават с един заряд, е достатъчно голяма, тези виртуални трансформации стават реални и ядрото променя заряда си с 1, излъчвайки електрон и антинеутрино (електронен разпад) или позитрон и неутрино ( позитронно разпадане). Неутроните имат маса, която надвишава с приблизително 1 MeV сумата от масите на протон и електрон. Следователно свободният неутрон се разпада на протон, електрон и антинеутрино, освобождавайки енергия от приблизително 1 MeV. Продължителността на живота на свободния неутрон е приблизително 10 минути, въпреки че в свързано състояние, например в деутрона, който се състои от неутрон и протон, тези частици живеят неограничено време.
Подобно събитие се случва с мюона (виж Пептони) - той се разпада на електрон, неутрино и антинеутрино. Преди да се разпадне, един мюон живее около c - много по-малко от неутрон. Теорията на Ферми обяснява това с разликата в масите на участващите частици. Колкото повече енергия се отделя по време на гниенето, толкова по-бързо протича. Освобождаването на енергия по време на -разпада е около 100 MeV, приблизително 100 пъти повече, отколкото по време на разпада на неутрон. Животът на една частица е обратно пропорционален на петата степен на тази енергия.
Както се оказа през последните десетилетия, слабото взаимодействие е нелокално, тоест не възниква моментално и не в един момент. Според съвременната теория слабото взаимодействие не се предава мигновено, а се ражда виртуална двойка електрон-антинеутрино, след като мюонът се трансформира в неутрино, и това се случва на разстояние от cm. Нито една линийка, нито един микроскоп не може , разбира се, измерва толкова малко разстояние, точно както никой хронометър не може да измери толкова малък интервал от време. Както почти винаги се случва, в съвременната физика трябва да се задоволим с косвени данни. Физиците изграждат различни хипотези за механизма на процеса и тестват всякакви следствия от тези хипотези. Тези хипотези, които противоречат на поне един надежден експеримент, се отхвърлят и се провеждат нови експерименти за проверка на останалите. Този процес, в случая със слабото взаимодействие, продължи около 40 години, докато физиците се убедиха, че слабото взаимодействие се носи от свръхмасивни частици - 100 пъти по-тежки от протона. Тези частици имат спин 1 и се наричат векторни бозони (открити през 1983 г. в CERN, Швейцария - Франция).
Има два заредени векторни бозона и един неутрален (иконата в горната част, както обикновено, показва заряда в протонни единици). Зареден векторен бозон „работи“ в разпада на неутрона и мюона. Ходът на мюонния разпад е показан на фиг. (горе, вдясно). Такива чертежи се наричат диаграми на Фейнман; те не само илюстрират процеса, но и помагат за изчисляването му. Това е вид стенограма на формулата за вероятността от реакция; тук се използва само за илюстрация.
Мюонът се превръща в неутрино, излъчвайки -бозон, който се разпада на електрон и антинеутрино. Освободената енергия не е достатъчна за реалното раждане на -бозона, затова той се ражда виртуално, т.е. за много кратко време. В случая това е s. През това време полето, съответстващо на -бозона, няма време да образува вълна или в противен случай реална частица (вижте Полета и частици). Образува се полеви съсирек с размери cm и след c от него се раждат електрон и антинеутрино.
За разпадането на неутрон би било възможно да се начертае същата диаграма, но тук вече ще ни подведе. Факт е, че размерът на един неутрон е cm, което е 1000 пъти по-голямо от радиуса на действие на слабите сили. Следователно тези сили действат вътре в неутрона, където се намират кварките. Един от трите неутронни кварка излъчва -бозон, трансформирайки се в друг кварк. Зарядите на кварките в един неутрон са: -1/3, - 1/3 и така един от двата кварка с отрицателен заряд -1/3 се превръща в кварк с положителен заряд. Резултатът ще бъде кварки със заряди - 1/3, 2/3, 2/3, които заедно съставят протон. Продуктите на реакцията - електрон и антинеутрино - свободно излитат от протона. Но това е кварк, който излъчва -бозон. получи ритника и започна да се движи в обратна посока. Защо не излита?
Той се държи заедно чрез силно взаимодействие. Това взаимодействие ще пренесе кварка заедно с неговите двама неразделни спътника, което ще доведе до движещ се протон. По подобна схема се получават слаби разпадания (свързани със слабо взаимодействие) на останалите адрони. Всички те се свеждат до излъчването на векторен бозон от един от кварките, прехода на този векторен бозон в лептони (, и -частици) и по-нататъшното разширяване на реакционните продукти.
Понякога обаче възникват и адронни разпадания: векторен бозон може да се разпадне в двойка кварк-антикварк, която ще се превърне в мезони.
И така, голям брой различни реакции се свеждат до взаимодействието на кварки и лептони с векторни бозони. Това взаимодействие е универсално, тоест е еднакво за кварките и лептоните. Универсалността на слабото взаимодействие, за разлика от универсалността на гравитационното или електромагнитното взаимодействие, все още не е получила изчерпателно обяснение. В съвременните теории слабото взаимодействие се комбинира с електромагнитното взаимодействие (виж Единството на силите на природата).
За нарушаване на симетрията от слабото взаимодействие вижте Parity, Neutrinos. Статията Единството на силите на природата говори за мястото на слабите сили в картината на микросвета