Svagt samspil

Denne interaktion er den svageste af de fundamentale interaktioner, der eksperimentelt er observeret i henfald af elementarpartikler, hvor kvanteeffekter er fundamentalt signifikante. Lad os huske på, at kvantemanifestationer af gravitationsinteraktion aldrig er blevet observeret. Svag interaktion skelnes ved hjælp af følgende regel: hvis en elementær partikel kaldet en neutrino (eller antineutrino) deltager i interaktionsprocessen, så er denne interaktion svag.

Den svage interaktion er meget mere intens end den gravitationelle interaktion.

Den svage interaktion er i modsætning til gravitationsinteraktionen kortrækkende. Det betyder, at den svage kraft mellem partikler kun kommer i spil, hvis partiklerne er tæt nok på hinanden. Hvis afstanden mellem partikler overstiger en vis værdi kaldet den karakteristiske interaktionsradius, viser den svage interaktion sig ikke. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at den karakteristiske radius for svag vekselvirkning er omkring 10-15 cm, det vil sige, at svag vekselvirkning er koncentreret i afstande, der er mindre end atomkernens størrelse.

Hvorfor kan vi tale om svag interaktion som en selvstændig type grundlæggende interaktion? Svaret er enkelt. Det er blevet fastslået, at der er transformationsprocesser af elementarpartikler, der ikke er reduceret til gravitationelle, elektromagnetiske og stærke interaktioner. Et godt eksempel, der viser, at der er tre kvalitativt forskellige interaktioner i nukleare fænomener, kommer fra radioaktivitet. Eksperimenter viser tilstedeværelsen af ​​tre forskellige typer radioaktivitet: a-, b- og g-radioaktive henfald. I dette tilfælde skyldes a-henfald stærk interaktion, g-henfald skyldes elektromagnetisk interaktion. Det resterende b-henfald kan ikke forklares med de elektromagnetiske og stærke vekselvirkninger, og vi er tvunget til at acceptere, at der er en anden fundamental vekselvirkning, kaldet den svage. I det generelle tilfælde skyldes behovet for at indføre svag interaktion, at der forekommer processer i naturen, hvor elektromagnetiske og stærke henfald er forbudt i henhold til bevaringslove.

Selvom den svage interaktion er væsentligt koncentreret i kernen, har den visse makroskopiske manifestationer. Som vi allerede har bemærket, er det forbundet med processen med b-radioaktivitet. Derudover spiller den svage interaktion en vigtig rolle i de såkaldte termonukleære reaktioner, der er ansvarlige for mekanismen for energifrigivelse i stjerner.

Den mest fantastiske egenskab ved den svage interaktion er eksistensen af ​​processer, hvor spejlasymmetri er manifesteret. Ved første øjekast virker det indlysende, at forskellen mellem begreberne venstre og højre er vilkårlig. Faktisk er processerne med gravitationel, elektromagnetisk og stærk interaktion invariante med hensyn til rumlig inversion, som udfører spejlreflektion. Det siges, at i sådanne processer bevares den rumlige paritet P. Det er dog eksperimentelt blevet fastslået, at svage processer kan fortsætte med ikke-konservering af rumlig paritet og derfor synes at mærke forskellen mellem venstre og højre. I øjeblikket er der solide eksperimentelle beviser for, at paritets-ikke-konservering i svage interaktioner er universel af natur; det manifesterer sig ikke kun i henfald af elementarpartikler, men også i nukleare og endda atomare fænomener. Det bør erkendes, at spejl-asymmetri er en egenskab ved naturen på det mest grundlæggende niveau.

Alle ladede legemer, alle ladede elementarpartikler deltager i elektromagnetisk interaktion. I denne forstand er det ret universelt. Den klassiske teori om elektromagnetisk interaktion er Maxwelliansk elektrodynamik. Elektronladningen e tages som koblingskonstanten.

Hvis vi betragter to punktladninger q1 og q2 i hvile, så vil deres elektromagnetiske vekselvirkning blive reduceret til en kendt elektrostatisk kraft. Det betyder, at interaktionen er lang rækkevidde og henfalder langsomt i takt med, at afstanden mellem ladningerne øges. En ladet partikel udsender en foton, hvilket får dens bevægelsestilstand til at ændre sig. En anden partikel absorberer denne foton og ændrer også dens bevægelsestilstand. Som et resultat synes partiklerne at fornemme hinandens tilstedeværelse. Det er velkendt, at elektrisk ladning er en dimensionel størrelse. Det er praktisk at indføre den dimensionsløse koblingskonstant for elektromagnetisk interaktion. For at gøre dette skal du bruge de grundlæggende konstanter og c. Som et resultat kommer vi frem til følgende dimensionsløse koblingskonstant, kaldet finstrukturkonstanten i atomfysik

Det er let at se, at denne konstant væsentligt overstiger konstanterne for gravitationelle og svage interaktioner.

Fra et moderne synspunkt repræsenterer elektromagnetiske og svage interaktioner forskellige aspekter af en enkelt elektrosvag interaktion. En samlet teori om elektrosvag interaktion er blevet skabt - Weinberg-Salam-Glashow-teorien, som forklarer alle aspekter af elektromagnetiske og svage interaktioner fra en samlet position. Er det muligt på et kvalitativt niveau at forstå, hvordan opdelingen af ​​den kombinerede interaktion i separate, tilsyneladende selvstændige interaktioner sker?

Så længe de karakteristiske energier er tilstrækkeligt små, er de elektromagnetiske og svage vekselvirkninger adskilt og påvirker ikke hinanden. Når energien stiger, begynder deres gensidige påvirkning, og ved tilstrækkelig høje energier smelter disse interaktioner sammen til en enkelt elektrosvag interaktion. Den karakteristiske foreningsenergi estimeres i størrelsesorden til at være 102 GeV (GeV er en forkortelse for gigaelectron-volt, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). Til sammenligning bemærker vi, at den karakteristiske energi for en elektron i et brintatoms grundtilstand er omkring 10-8 GeV, den karakteristiske bindingsenergi for en atomkerne er omkring 10-2 GeV, og den karakteristiske bindingsenergi for et fast stof. er omkring 10-10 GeV. Den karakteristiske energi af kombinationen af ​​elektromagnetiske og svage interaktioner er således enorm sammenlignet med de karakteristiske energier i atom- og kernefysik. Af denne grund manifesterer elektromagnetiske og svage interaktioner ikke deres eneste essens i almindelige fysiske fænomener.

Stærk interaktion

Den stærke interaktion er ansvarlig for stabiliteten af ​​atomkerner. Da atomkernerne i de fleste kemiske grundstoffer er stabile, er det klart, at den interaktion, der holder dem fra forfald, skal være ret stærk. Det er velkendt, at kerner består af protoner og neutroner. For at forhindre positivt ladede protoner i at spredes i forskellige retninger, er det nødvendigt at have tiltrækkende kræfter mellem dem, der overstiger kræfterne ved elektrostatisk frastødning. Det er det stærke samspil, der er ansvarlig for disse attraktive kræfter.

Et karakteristisk træk ved den stærke interaktion er dens ladningsuafhængighed. De nukleare tiltrækningskræfter mellem protoner, mellem neutroner og mellem en proton og en neutron er i det væsentlige de samme. Det følger heraf, at fra synspunktet om stærke interaktioner er en proton og en neutron ikke til at skelne, og det enkelte udtryk nukleon, det vil sige en nuklear partikel, bruges til dem.

Så vi har gennemgået den grundlæggende information om naturens fire grundlæggende vekselvirkninger. De mikroskopiske og makroskopiske manifestationer af disse interaktioner og billedet af fysiske fænomener, hvor de spiller en vigtig rolle, beskrives kort.

UDDANNELSES- OG VIDENSKABSMINISTERIET I RUSLAND

Federal State Budgetary Education Institution

videregående faglig uddannelse

"St. Petersburg State Electrotechnical University "LETI" opkaldt efter V. I. Ulyanov (Lenin)"

(SPbGETU)

Fakultet for Økonomi og Ledelse

Institut for Fysik

I disciplinen "Begreber om moderne naturvidenskab"

om emnet "Svag interaktion"

Tjekket:

Altmark Alexander Moiseevich

Udført:

elev gr. 3603

Kolisetskaya Maria Vladimirovna

Sankt Petersborg

1. Den svage interaktion er en af ​​de fire fundamentale interaktioner

Studiets historie

Rolle i naturen

Den svage kraft er en af ​​de fire grundlæggende kræfter

Den svage kraft, eller svag kernekraft, er en af ​​de fire grundlæggende kræfter i naturen. Det er især ansvarligt for beta-henfald kerner. Denne interaktion kaldes svag, fordi de to andre interaktioner, der er væsentlige for kernefysik (stærk og elektromagnetisk ), er karakteriseret ved betydeligt større intensitet. Det er dog meget stærkere end den fjerde af de fundamentale interaktioner, gravitation . Den svage interaktionskraft er ikke nok til at holde partikler i nærheden af ​​hinanden (dvs. at danne bundne tilstande). Det kan kun manifestere sig under opløsningen og gensidige transformationer af partikler.

Den svage interaktion er kortrækkende - den manifesterer sig ved afstande, der er væsentligt mindre end atomkernens størrelse (karakteristisk interaktionsradius 2·10?18 m).

Vektorbosoner er bærere af den svage interaktion , Og. I dette tilfælde skelnes interaktionen af ​​såkaldte ladede svage strømme og neutrale svage strømme . Interaktionen af ​​ladede strømme (med deltagelse af ladede bosoner) fører til en ændring i partikelladninger og omdannelsen af ​​nogle leptoner og kvarker til andre leptoner og kvarker. Interaktionen af ​​neutrale strømme (med deltagelse af en neutral boson) ændrer ikke partiklernes ladninger og omdanner leptoner og kvarker til de samme partikler.

For første gang blev svage interaktioner observeret under henfaldet af atomkerner. Og som det viste sig, er disse henfald forbundet med omdannelsen af ​​en proton til en neutron i kernen og omvendt:

R? n + e+ + ?e, n? p + e- + e,

hvor n er en neutron, p er en proton, e- er en elektron, ??e er en elektron antineutrino.

Elementærpartikler inddeles normalt i tre grupper:

) fotoner; denne gruppe består kun af én partikel - en foton - et kvantetal af elektromagnetisk stråling;

) leptoner (fra det græske "leptos" - lys), der kun deltager i elektromagnetiske og svage interaktioner. Leptoner omfatter elektronen og myonneutrinoen, elektronen, muonen og den tunge lepton, der blev opdaget i 1975 - t-leptonen eller taonen med en masse på cirka 3487 me, såvel som deres tilsvarende antipartikler. Navnet leptoner skyldes, at masserne af de første kendte leptoner var mindre end masserne af alle andre partikler. Leptoner omfatter også den hemmelige neutrino, hvis eksistens også for nylig er blevet fastslået;

) hadroner (fra det græske "adros" - store, stærke). Hadroner har stærke interaktioner sammen med elektromagnetiske og svage. Af de ovenfor diskuterede partikler inkluderer disse proton, neutron, pioner og kaoner.

Egenskaber ved den svage interaktion

Den svage interaktion har karakteristiske egenskaber:

Alle fundamentale fermioner deltager i svag interaktion (leptoner og kvarker ). Fermioner (fra navnet på den italienske fysiker E. Fermi<#"22" src="doc_zip7.jpg" />, -x, -y, -z, -, .

Operation P ændrer tegnet for enhver polær vektor

Funktionen af ​​rumlig inversion omdanner systemet til et spejlsymmetrisk system. Spejlsymmetri observeres i processer under påvirkning af stærke og elektromagnetiske interaktioner. Spejlsymmetri i disse processer betyder, at i spejlsymmetriske tilstande realiseres overgange med samme sandsynlighed.

G. ? Yang Zhenning, Li Zongdao modtog Nobelprisen i fysik. For hans dybdegående studier af de såkaldte paritetslove, som førte til vigtige opdagelser inden for elementarpartikler.

Ud over rumlig paritet bevarer den svage interaktion heller ikke kombineret rum-ladningsparitet, det vil sige, at den eneste kendte interaktion overtræder princippet om CP-invarians .

Ladningssymmetri betyder, at hvis der er en proces, der involverer partikler, så når de erstattes af antipartikler (ladningskonjugation), eksisterer processen også og forekommer med samme sandsynlighed. Ladningssymmetri er fraværende i processer, der involverer neutrinoer og antineutrinoer. I naturen eksisterer kun venstrehåndede neutrinoer og højrehåndede antineutrinoer. Hvis hver af disse partikler (for bestemthed vil vi overveje elektronen neutrino?e og antineutrino e) udsættes for driften af ​​ladningskonjugation, så vil de blive til ikke-eksisterende objekter med leptontal og heliciteter.

I svage interaktioner bliver P- og C-invarians således overtrådt samtidigt. Men hvad hvis der udføres to på hinanden følgende operationer på en neutrino (antineutrino)? P- og C-transformationer (rækkefølgen af ​​operationer er ikke vigtig), så får vi igen neutrinoer, der findes i naturen. Sekvensen af ​​operationer og (eller i omvendt rækkefølge) kaldes CP-transformation. Resultatet af CP-transformationen (kombineret inversion) af ?e og e er som følger:

For neutrinoer og antineutrinoer er operationen, der omdanner en partikel til en antipartikel, således ikke en ladningskonjugationsoperation, men en CP-transformation.

Studiets historie

Undersøgelsen af ​​svage interaktioner fortsatte i en lang periode.
I 1896 opdagede Becquerel, at uransalte udsender gennemtrængende stråling (γ henfald af thorium). Dette var begyndelsen på studiet af svage interaktioner.
I 1930 fremsatte Pauli den hypotese, at der udsendes lette neutrale partikler under henfald sammen med elektroner (e). neutrino (?). Samme år foreslog Fermi en kvantefeltteori om β-henfald. Nedbrydningen af ​​en neutron (n) er en konsekvens af vekselvirkningen mellem to strømme: hadronstrømmen omdanner en neutron til en proton (p), den leptoniske strøm producerer et elektron + neutrinopar. I 1956 observerede Reines første gang reaktionen fra er? ne+ i forsøg nær en atomreaktor.

Lee og Yang forklarede paradokset i henfaldene af K+ mesoner (? ~ ? mysterium)? henfald til 2 og 3 pioner. Det er forbundet med ikke-bevarelse af rumlig paritet. Spejlasymmetri er blevet opdaget i β-henfald af kerner, henfald af muoner, pioner, K-mesoner og hyperoner.
I 1957 foreslog Gell-Mann, Feynman, Marshak og Sudarshan en universel teori om svag interaktion baseret på hadronernes kvarkstruktur. Denne teori, kaldet V-A-teori, førte til beskrivelsen af ​​den svage interaktion ved hjælp af Feynman-diagrammer. Samtidig blev fundamentalt nye fænomener opdaget: krænkelse af CP-invarians og neutrale strømme.

I 1960'erne af Sheldon Lee Glashow , Steven Weinberg og Abdus Salam baseret på kvantefeltteori, veludviklet på det tidspunkt teorien om elektrosvage interaktioner blev skabt , som kombinerer svage og elektromagnetiske interaktioner. De introducerede målefelter og kvanta af disse felter er vektorbosoner , og som bærere af svage interaktioner. Derudover blev eksistensen af ​​hidtil ukendte svage neutrale strømme forudsagt . Disse strømme blev opdaget eksperimentelt i 1973 når man studerer processerne for elastisk spredning af neutrinoer og antineutrinoer af nukleoner .

I 1991-2001 blev der udført en undersøgelse af Z0-bosonernes henfald ved LEP2-acceleratoren (CERN), som viste, at der i naturen kun er tre generationer af leptoner: ?e, ?? Og??.

Rolle i naturen

nuklear interaktion er svag

Den mest almindelige proces forårsaget af svag interaktion er b-henfald af radioaktive atomkerner. Radioaktivitetsfænomen<#"justify">Bibliografi

1. Novozhilov Yu.V. Introduktion til teorien om elementarpartikler. M.: Nauka, 1972

Okun B. Svag interaktion mellem elementarpartikler. M.: Fizmatgiz, 1963

Læseren er bekendt med kræfter af forskellig karakter, der viser sig i interaktioner mellem kroppe. Men fundamentalt forskellige typer interaktion meget lille. Bortset fra tyngdekraften, som kun spiller en væsentlig rolle i tilstedeværelsen af ​​enorme masser, så kendes kun tre typer interaktioner: stærk, elektromagnetiske og svag.

Elektromagnetisk interaktion alle ved. Takket være dem udsender en ujævnt bevægende elektrisk ladning (f.eks. en elektron i et atom) elektromagnetiske bølger (for eksempel synligt lys). Alle kemiske processer er forbundet med denne klasse af interaktioner, såvel som alle molekylære fænomener - overfladespænding, kapillaritet, adsorption, fluiditet. Elektromagnetisk interaktion, hvis teori er glimrende bekræftet af erfaring, er dybt relateret til elektrisk ladning elementære partikler.

Stærk interaktion blev først kendt efter opdagelsen af ​​den indre struktur af atomkernen. I 1932 blev det opdaget, at det består af nukleoner, neutroner og protoner. Og præcis stærk interaktion forbinde nukleoner i kernen - er ansvarlige for kernekræfter, som i modsætning til elektromagnetiske er karakteriseret ved et meget kort aktionsområde (ca. 10-13, dvs. en ti-trilliontedel af en centimeter) og høj intensitet. Udover, stærk interaktion vises under kollisioner partikler høje energier, der involverer pioner og såkaldt "mærkeligt" partikler.

Det er praktisk at estimere intensiteten af ​​interaktioner ved hjælp af den såkaldte middelfri vej partikler i noget stof, dvs. langs den gennemsnitlige vejlængde, som partikel kan passere gennem dette stof, indtil der opstår en destruktiv eller stærkt afbøjelig kollision. Det er klart, at jo længere den gennemsnitlige frie vej er, jo mindre intens er interaktionen.

Hvis vi overvejer partikler meget høj energi, derefter kollisioner forårsaget af stærke interaktioner, er præget af den frie vej partikler, svarende i størrelsesorden til snesevis af centimeter i kobber eller jern.

Situationen er anderledes med svage interaktioner. Som vi allerede har sagt, måles den gennemsnitlige frie vej for neutrinoer i tæt stof i astronomiske enheder. Dette indikerer en overraskende lav intensitet af svage interaktioner.

Enhver proces interaktion elementære partikler karakteriseret ved en vis tid, der bestemmer dens gennemsnitlige varighed. Processer forårsaget af svage interaktioner, kaldes ofte "langsomme", fordi tiden for dem er relativt lang.

Læseren kan dog blive overrasket over, at et fænomen, der opstår på f.eks. 10-6 (en milliontedel af et) sekund, klassificeres som langsomt. Denne levetid er typisk for for eksempel henfald af en myon forårsaget af svag interaktioner. Men alt læres ved sammenligning. I verden elementære partikler sådan en periode er faktisk ret lang. Den naturlige længdeenhed i mikrokosmos er 10-13 centimeter - kernekræfternes virkningsradius. Og siden grundskolen partikler høj energi har en hastighed tæt på lysets hastighed (ca. 1010 centimeter pr. sekund), så vil den "normale" tidsskala for dem være 10-23 sekunder.

Det betyder, at tiden på 10-6 sekunder for mikroverdenens "borgere" er meget længere end for dig og mig hele perioden med liv på Jorden

Svagt samspil

Stærk interaktion

Stærk interaktion er korttidsvirkende. Dens aktionsområde er omkring 10-13 cm.

Partikler, der deltager i stærke interaktioner, kaldes hadroner. I et almindeligt stabilt stof ved ikke for høj temperatur forårsager stærke interaktioner ingen processer. Dens rolle er at skabe et stærkt bånd mellem nukleoner (protoner og neutroner) i kerner. Bindingsenergien er i gennemsnit omkring 8 MeV pr. nukleon. Desuden, under kollisioner af kerner eller nukleoner med tilstrækkelig høj energi (i størrelsesordenen hundredvis af MeV), fører stærk interaktion til adskillige nukleare reaktioner: nuklear fission, transformation af nogle kerner til andre osv.

Med udgangspunkt i energier fra kolliderende nukleoner i størrelsesordenen flere hundrede MeV, fører stærk interaktion til produktionen af ​​P-mesoner. Ved endnu højere energier fødes K-mesoner og hyperoner og mange meson- og baryonresonanser (resonanser er kortvarige ophidsede tilstande af hadroner).

Samtidig viste det sig, at ikke alle partikler oplever stærk interaktion. Således oplever protoner og neutroner det, men elektroner, neutrinoer og fotoner er ikke underlagt det. Normalt deltager kun tunge partikler i stærke vekselvirkninger.

Den teoretiske forklaring på karakteren af ​​den stærke interaktion har været svær at udvikle. Et gennembrud opstod først i begyndelsen af ​​1960'erne, da kvarkmodellen blev foreslået. I denne teori betragtes neutroner og protoner ikke som elementære partikler, men som sammensatte systemer bygget af kvarker

De stærke interaktionskvanter er otte gluoner. Gluoner får deres navn fra det engelske ord lim, fordi de er ansvarlige for indespærring af kvarker. Resten af ​​gluonerne er nul. Samtidig har gluoner en farvet ladning, på grund af hvilken de er i stand til at interagere med hinanden, som de siger, af selvinteraktion, hvilket fører til vanskeligheder med at beskrive den stærke interaktion matematisk på grund af dens ikke-linearitet.

Dens aktionsområde er mindre end 10-15 cm Den svage vekselvirkning er adskillige størrelsesordener svagere ikke kun end den stærke, men også den elektromagnetiske. Desuden er det meget stærkere end tyngdekraften i mikrokosmos.

Den første opdagede og mest almindelige proces forårsaget af den svage interaktion er radioaktivt nukleart b-henfald.
Opslået på ref.rf
Denne type radioaktivitet blev opdaget i 1896 af A.A. Becquerelem. Under processen med radioaktiv elektron /b - -/ henfald, en af ​​neutronerne / n/ atomkernen bliver til en proton / R/ med elektronemission / e-/ og elektron antineutrino //:

n® p + e-+

I processen med positronisk /b + -/ henfald sker følgende overgang:

p®n + e++

I den første teori om b-henfald, skabt i 1934 af E. Fermi, var det for at forklare dette fænomen nødvendigt at introducere hypotesen om eksistensen af ​​en særlig type kortdistancekræfter, der forårsager overgangen

n® p + e-+

Yderligere forskning viste, at interaktionen introduceret af Fermi har en universel karakter.
Opslået på ref.rf
Det forårsager henfald af alle ustabile partikler, hvis masser og udvælgelsesregler baseret på kvantetal ikke tillader dem at henfalde på grund af stærk eller elektromagnetisk interaktion. Svag interaktion er iboende i alle partikler undtagen fotoner. Den karakteristiske tid for svage interaktionsprocesser ved energier af størrelsesordenen 100 MeV er 13-14 størrelsesordener længere end den karakteristiske tid for stærk interaktion.

De svage interaktionskvanter er tre bosoner - W + , W − , Z°- bosoner. Overskriften angiver tegnet på den elektriske ladning af disse kvanter. De svage interaktionskvanter har en betydelig masse, hvilket fører til, at den svage interaktion viser sig på meget korte afstande.

Det skal tages i betragtning, at i dag er de svage og elektromagnetiske vekselvirkninger allerede kombineret til en enkelt teori. Der er en række teoretiske skemaer, der forsøger at skabe en samlet teori om alle typer interaktion. Disse ordninger er dog endnu ikke udviklet nok til at blive testet eksperimentelt.

26. Strukturfysik. Korpuskulær tilgang til beskrivelse og forklaring af naturen. Reduktionisme

Strukturfysikkens objekter er elementerne i stoffets struktur (f.eks. molekyler, atomer, elementarpartikler) og en mere kompleks dannelse af dem. Det her:

1) plasma - det er en gas, hvori en betydelig del af molekylerne eller atomerne er ioniseret;

2) krystaller- disse er faste stoffer, hvori atomer eller molekyler er arrangeret på en ordnet måde og danner en periodisk gentagen indre struktur;

3) væsker- dette er den samlede tilstand af et stof, som kombinerer egenskaberne ved en fast tilstand (bevarelse af volumen, en vis trækstyrke) og en gasformig tilstand (formvariabilitet).

Væsken er karakteriseret ved:

a) kort rækkefølge i arrangementet af partikler (molekyler, atomer);

b) en lille forskel i den kinetiske energi af termisk bevægelse og deres potentielle interaktionsenergi.

4) stjerner,ᴛ.ᴇ. glødende gas (plasma) kugler.

Når man identificerer strukturelle ligninger for et stof, anvendes følgende kriterier:

Rumlige dimensioner: partikler af samme niveau har rumlige dimensioner af samme orden (for eksempel har alle atomer dimensioner af størrelsesordenen 10 -8 cm);

Procestid: på et niveau er den omtrent af samme størrelsesorden;

Objekter på samme niveau består af de samme elementer (for eksempel består alle kerner af protoner og neutroner);

De love, der forklarer processer på et niveau, er kvalitativt forskellige fra de love, der forklarer processer på et andet niveau;

Objekter på forskellige niveauer adskiller sig i deres grundlæggende egenskaber (for eksempel er alle atomer elektrisk neutrale, og alle kerner er positivt elektrisk ladede).

Efterhånden som nye niveauer af struktur og stoftilstande opdages, udvides strukturfysikkens objektdomæne.

Det skal tages i betragtning, at ved løsning af specifikke fysiske problemer hænger problemstillinger i forbindelse med belysning af struktur, interaktion og bevægelse tæt sammen.

Grundlaget for strukturfysikken er en korpuskulær tilgang til at beskrive og forklare naturen.

For første gang opstod konceptet om atomet som den sidste og udelelige partikel i kroppen i det antikke Grækenland inden for rammerne af Leucippus-Demokrits skoles naturfilosofiske lære. Ifølge denne opfattelse er der kun atomer i verden, der bevæger sig i tomrummet. De gamle atomister anså stoffets kontinuitet for at være tydelig. Forskellige kombinationer af atomer danner forskellige synlige legemer. Denne hypotese var ikke baseret på eksperimentelle data. Hun var bare et genialt gæt. Men det bestemte naturvidenskabens videre udvikling i mange århundreder fremover.

Hypotesen om atomer som udelelige partikler af stof blev genoplivet i naturvidenskaben, især inden for fysik og kemi, for at forklare nogle love, der blev etableret eksperimentelt (for eksempel Boyle-Mariotte- og Gay-Lussac-lovene for ideelle gasser, termisk udvidelse af kroppe osv.). d.). Faktisk siger Boyle-Marriott-loven, at volumenet af en gas er omvendt proportional med dens tryk, men den forklarer ikke, hvorfor det er sådan. Ligeledes, når en krop opvarmes, øges dens størrelse. Men hvad er årsagen til denne udvidelse? I den kinetiske teori om stof forklares disse og andre eksperimentelt etablerede mønstre ved hjælp af atomer og molekyler.

Faktisk er det direkte observerede og målbare fald i gastryk med en stigning i dets volumen i den kinetiske teori om stof forklaret som en stigning i den frie vej for dets konstituerende atomer og molekyler. Det er som et resultat af dette, at volumen optaget af gassen stiger. Tilsvarende forklares udvidelsen af ​​legemer, når de opvarmes i den kinetiske teori om stof, af en stigning i den gennemsnitlige hastighed af bevægelige molekyler.

Forklaringer, hvor de forsøger at reducere egenskaberne af komplekse stoffer eller legemer til egenskaberne af deres simplere grundstoffer eller komponenter, kaldes reduktionisme. Denne analysemetode gjorde det muligt at løse en stor klasse af naturvidenskabelige problemer.

Indtil slutningen af ​​det 19. århundrede. Man troede, at et atom er den mindste, udelelige, strukturløse partikel af stof. Samtidig viste opdagelserne af elektronen og radioaktivitet, at det ikke er tilfældet. Rutherfords planetariske model af atomet dukker op. Så bliver hun erstattet af modellen N. Bora. Men som før er fysikernes tanker rettet mod at reducere hele rækken af ​​komplekse egenskaber ved kroppe og naturfænomener til de simple egenskaber af et lille antal primære partikler. Efterfølgende blev disse partikler kaldt elementære. Nu overstiger deres samlede antal 350. Af denne grund er det usandsynligt, at alle sådanne partikler kan kaldes virkelig elementære og ikke indeholder andre elementer. Denne tro styrkes af hypotesen om eksistensen af ​​kvarker. Ifølge den består kendte elementarpartikler af partikler med elektriske ladninger. De kaldes kvarker.

I henhold til typen af ​​interaktion, som elementærpartikler deltager i, er alle, undtagen fotonen, klassificeret i to grupper:

1) hadroner. Det er værd at sige, at de er kendetegnet ved tilstedeværelsen af ​​stærk interaktion. Desuden kan de også deltage i svage og elektromagnetiske interaktioner;

2) leptoner. Οʜᴎ kun deltage i elektromagnetiske og svage interaktioner;

I henhold til deres levetid skelnes de:

a) stabile elementarpartikler. Disse er elektronen, fotonen, protonen og neutrinoen;

b) næsten stabil. Det er partikler, der henfalder på grund af elektromagnetiske og svage vekselvirkninger. For eksempel til + ® m + +;

c) ustabil. Οʜᴎ henfald på grund af stærk interaktion, f.eks. neutron.

De elektriske ladninger af elementarpartikler er multipla af den mindste ladning, der er iboende i elektronen. Samtidig opdeles elementarpartikler i partikel - antipartikelpar, for eksempel e - - e + (de har alle de samme egenskaber, og tegnene på den elektriske ladning er modsatte). Elektrisk neutrale partikler har også antipartikler, f.eks. P -,- .

Så det atomistiske koncept er baseret på ideen om stoffets diskrete struktur. Den atomare tilgang forklarer egenskaberne af et fysisk objekt baseret på egenskaberne af dets mindste partikler, som på et bestemt erkendelsestrin anses for udelelige. Historisk set blev sådanne partikler først anerkendt som atomer, derefter som elementære partikler og nu som kvarker. Vanskeligheden ved denne tilgang er den fuldstændige reduktion af det komplekse til det simple, som ikke tager højde for de kvalitative forskelle mellem dem.

Indtil slutningen af ​​den første fjerdedel af det tyvende århundrede blev ideen om enhed af strukturen af ​​makro- og mikrokosmos forstået mekanistisk, som den fuldstændige identitet af love og som den fuldstændige lighed mellem strukturen af ​​begge.

Mikropartikler blev fortolket som miniaturekopier af makrokroppe, ᴛ.ᴇ. som ekstremt små kugler (korpuskler), der bevæger sig i præcise baner, der fuldstændig ligner planetbaner, med den eneste forskel, at himmellegemer er bundet af tyngdekraftens vekselvirkning, og mikropartikler af kræfterne fra elektrisk vekselvirkning.

Efter opdagelsen af ​​elektronen (Thomson, 1897), skabelsen af ​​kvanteteorien (Planck, 1900) og introduktionen af ​​begrebet foton (Einstein, 1905), fik atomteorien en ny karakter.
Opslået på ref.rf
Ideen om diskrethed blev udvidet til området for elektriske og lysfænomener, til energibegrebet (i det 19. århundrede tjente energilæren som idésfære om kontinuerlige mængder og funktioner i staten). Det vigtigste træk ved moderne atomlære er handlingens atomisme. Det skyldes det faktum, at forskellige mikroobjekters bevægelse, egenskaber og tilstande er modtagelige for kvantisering, ᴛ.ᴇ. er udtrykt i form af diskrete mængder og forhold. Ny atomisme anerkender den relative stabilitet af hver enkelt type stof, dens kvalitative sikkerhed, dens relative udelelighed og uomskiftelighed inden for de kendte grænser for naturlige fænomener. For eksempel er et atom deleligt på nogle fysiske måder kemisk udeleligt, ᴛ.ᴇ. i kemiske processer opfører det sig som noget helt, udeleligt. Et molekyle, der er kemisk delbart i atomer, i termisk bevægelse (op til visse grænser) opfører sig som en helhed, udeleligt osv.

Særligt vigtigt i begrebet ny atomisme er anerkendelsen af ​​interkonvertibiliteten af ​​enhver diskret stoftype.

Forskellige niveauer af den fysiske virkeligheds strukturelle organisering (kvarker, mikropartikler, kerner, atomer, molekyler, makrostoffer, megasystemer) har deres egne specifikke fysiske love. Men uanset hvor forskellige de fænomener, der studeres, er fra de fænomener, der studeres af klassisk fysik, skal alle eksperimentelle data beskrives ved hjælp af klassiske begreber. Der er en grundlæggende forskel mellem beskrivelsen af ​​det undersøgte mikroobjekts adfærd og beskrivelsen af ​​måleinstrumenters virkning. Dette er resultatet af den kendsgerning, at måleinstrumenters handling i princippet skal beskrives på klassisk fysiks sprog, men objektet, der undersøges, er muligvis ikke beskrevet af dette sprog.

Den korpuskulære tilgang til at forklare fysiske fænomener og processer er altid blevet kombineret med kontinuum tilgangen siden fremkomsten af ​​interaktionsfysikken. Det kom til udtryk i begrebet feltet og afsløringen af ​​dets rolle i fysisk interaktion. Repræsentationen af ​​feltet som en strøm af en bestemt slags partikler (kvantefeltteori) og tilskrivningen af ​​bølgeegenskaber til ethvert fysisk objekt (Louis de Broglies hypotese) samlede disse to tilgange til analyse af fysiske fænomener.

Svagt samspil - koncept og typer. Klassificering og funktioner i kategorien "Svag interaktion" 2017, 2018.

I 1896 opdagede den franske videnskabsmand Henri Becquerel radioaktivitet i uran. Dette var det første eksperimentelle signal om hidtil ukendte naturkræfter - svag interaktion. Vi ved nu, at den svage kraft står bag mange velkendte fænomener – for eksempel er den involveret i nogle termonukleare reaktioner, der understøtter strålingen fra Solen og andre stjerner.

Navnet "svag" kom til denne interaktion på grund af en misforståelse - for en proton er den for eksempel 1033 gange stærkere end gravitationsinteraktionen (se Gravity, This Unity of Nature). Dette er snarere en destruktiv vekselvirkning, den eneste naturkraft, der ikke holder stoffet sammen, men kun ødelægger det. Man kunne også kalde det "principløst", da det i ødelæggelse ikke tager hensyn til principperne om rumlig paritet og tidsmæssig reversibilitet, som iagttages af andre kræfter.

De grundlæggende egenskaber ved den svage interaktion blev kendt tilbage i 1930'erne, primært takket være den italienske fysiker E. Fermis arbejde. Det viste sig, at i modsætning til tyngdekraften og elektriske kræfter har svage kræfter et meget kort aktionsområde. I de år så det ud til, at der slet ikke var nogen aktionsradius - interaktion fandt sted på et tidspunkt i rummet, og desuden øjeblikkeligt. Denne interaktion forvandler praktisk talt (i kort tid) hver proton i kernen til en neutron, en positron til en positron og en neutrino, og hver neutron til en proton, elektron og antineutrino. I stabile kerner (se Atomkerne) forbliver disse transformationer virtuelle, ligesom den virtuelle skabelse af elektron-positron-par eller proton-antiproton-par i et vakuum.

Hvis forskellen i masserne af kerner, der adskiller sig med én i ladning, er stor nok, bliver disse virtuelle transformationer virkelige, og kernen ændrer sin ladning med 1 og udsender en elektron og en antineutrino (elektronhenfald) eller en positron og en neutrino ( positron henfald). Neutroner har en masse, der med ca. 1 MeV overstiger summen af ​​masserne af en proton og en elektron. Derfor henfalder en fri neutron til en proton, en elektron og en antineutrino og frigiver en energi på cirka 1 MeV. Levetiden for en fri neutron er cirka 10 minutter, selvom disse partikler i en bundet tilstand, for eksempel i deuteron, som består af en neutron og en proton, lever på ubestemt tid.

En lignende hændelse opstår med myonen (se Peptoner) - den henfalder til en elektron, neutrino og antineutrino. Før den forfalder, lever en myon omkring c - meget mindre end en neutron. Fermis teori forklarede dette ved forskellen i masserne af de involverede partikler. Jo mere energi der frigives under henfaldet, jo hurtigere går det. Frigivelsen af ​​energi under henfald er omkring 100 MeV, cirka 100 gange større end under henfaldet af en neutron. En partikels levetid er omvendt proportional med denne energis femte potens.

Som det viste sig i de seneste årtier, er den svage interaktion ikke-lokal, det vil sige, at den ikke forekommer øjeblikkeligt og ikke på et tidspunkt. Ifølge moderne teori overføres den svage vekselvirkning ikke øjeblikkeligt, men et virtuelt elektron-antineutrino-par fødes s efter at myonen bliver til en neutrino, og det sker i en afstand af cm. Ikke en eneste lineal, ikke et enkelt mikroskop kan måler selvfølgelig så lille en afstand, ligesom intet stopur kan måle så lille et tidsinterval. Som det næsten altid er tilfældet, må vi i moderne fysik nøjes med indirekte data. Fysikere bygger forskellige hypoteser om processens mekanisme og tester alle mulige konsekvenser af disse hypoteser. De hypoteser, der modsiger mindst ét ​​pålideligt eksperiment, kasseres, og nye eksperimenter udføres for at teste de resterende. Denne proces, i tilfælde af den svage vekselvirkning, fortsatte i omkring 40 år, indtil fysikere blev overbevist om, at den svage vekselvirkning blev båret af supermassive partikler - 100 gange tungere end protonen. Disse partikler har spin 1 og kaldes vektorbosoner (opdaget i 1983 ved CERN, Schweiz - Frankrig).

Der er to ladede vektorbosoner og en neutral (ikonet øverst angiver som sædvanlig ladningen i protonenheder). En ladet vektorboson "virker" i henfaldene af neutronen og myonen. Forløbet af myonhenfald er vist i fig. (ovenfor, til højre). Sådanne tegninger kaldes Feynman-diagrammer; de illustrerer ikke kun processen, men hjælper også med at beregne den. Dette er en slags stenografi for formlen for sandsynligheden for en reaktion; det bruges her kun til illustrationsformål.

Myonen bliver til en neutrino, der udsender et -boson, som henfalder til en elektron og en antineutrino. Den frigjorte energi er ikke nok til den rigtige fødsel af en -boson, så den fødes virtuelt, altså i meget kort tid. I dette tilfælde er det s. I løbet af denne tid har feltet svarende til -bosonet ikke tid til at danne en bølge eller på anden måde en rigtig partikel (se Felter og partikler). Der dannes en feltprop på cm størrelse, og efter c fødes der en elektron og en antineutrino.

For en neutrons henfald ville det være muligt at tegne det samme diagram, men her ville det allerede vildlede os. Faktum er, at størrelsen af ​​en neutron er cm, hvilket er 1000 gange større end svage kræfters virkningsradius. Derfor virker disse kræfter inde i neutronen, hvor kvarkerne er placeret. En af de tre neutronkvarker udsender et -boson, der omdannes til en anden kvark. Ladningerne af kvarker i en neutron er: -1/3, - 1/3, så en af ​​de to kvarker med en negativ ladning på -1/3 går ind i en kvark med en positiv ladning. Resultatet bliver kvarker med ladninger - 1/3, 2/3, 2/3, som tilsammen udgør en proton. Reaktionsprodukterne - elektron og antineutrino - flyver frit ud af protonen. Men det er en kvark, der udsendte en -boson. fik sparket og begyndte at bevæge sig i den modsatte retning. Hvorfor flyver han ikke ud?

Det holdes sammen af ​​et stærkt samspil. Denne interaktion vil bære kvarken sammen med dens to uadskillelige ledsagere, hvilket resulterer i en bevægelig proton. Ifølge et lignende skema forekommer svage henfald (associeret med svag interaktion) af de resterende hadroner. De koger alle ned til emissionen af ​​en vektorboson fra en af ​​kvarkerne, overgangen af ​​denne vektorboson til leptoner (, og -partikler) og den yderligere ekspansion af reaktionsprodukterne.

Nogle gange forekommer der dog også hadroniske henfald: en vektorboson kan henfalde til et kvark-antikvark-par, som vil blive til mesoner.

Så et stort antal forskellige reaktioner kommer ned til interaktionen mellem kvarker og leptoner med vektorbosoner. Denne interaktion er universel, det vil sige, den er den samme for kvarker og leptoner. Universaliteten af ​​den svage interaktion, i modsætning til universaliteten af ​​gravitationel eller elektromagnetisk interaktion, har endnu ikke fået en udtømmende forklaring. I moderne teorier kombineres den svage interaktion med den elektromagnetiske interaktion (se Enhed af naturkræfterne).

Om symmetribrud af den svage interaktion, se Paritet, Neutrinoer. Artiklen The Unity of the Forces of Nature of Nature fortæller om svage kræfters plads i billedet af mikroverdenen