Koostoime füüsikas on kehade või osakeste mõju üksteisele, mis viib nende liikumise muutumiseni.
Lähedus ja kaugtegevus (või tegevus eemalt). Füüsikas on pikka aega olnud kaks seisukohta selle kohta, kuidas kehad omavahel suhtlevad. Esimene neist eeldas mingi aine (näiteks eetri) olemasolu, mille kaudu üks keha kannab oma mõju teisele edasi, ja terminali kiirus. See on lühimaategevuse teooria. Teine eeldas, et kehadevaheline interaktsioon toimub tühja ruumi kaudu, mis ei osale interaktsiooni edastamises, ja edastamine toimub koheselt. See on pikamaategevuse teooria. Ta näis olevat lõpuks võitnud pärast seda, kui Newton avastas seaduse universaalne gravitatsioon. Näiteks arvati, et Maa liikumine peaks viivitamatult kaasa tooma Kuule mõjuva gravitatsioonijõu muutumise. Lisaks Newtonile endale jäid kaugtegevuse kontseptsioonist hiljem kinni Coulomb ja Ampere.
Pärast elektromagnetvälja avastamist ja uurimist (vt Elektromagnetväli) lükati pikamaategevuse teooria tagasi, kuna tõestati, et elektriliselt laetud kehade vastastikmõju ei toimu koheselt, vaid piiratud kiirusega ( võrdne kiirus valgus: c = 3 108 m/s) ja ühe laengu liikumine toob kaasa teistele laengutele mõjuvate jõudude muutumise mitte kohe, vaid mõne aja pärast. Tõusis üles uus teooria lühimaa interaktsiooni, mida seejärel laiendati kõigile teistele interaktsioonitüüpidele. Lähitegevuse teooria kohaselt toimub vastastikmõju kehasid ümbritsevate ja ruumis pidevalt jaotunud vastavate väljade kaudu (st väli on vahendaja, mis edastab ühe keha tegevuse teisele). Interaktsioon elektrilaengud- läbi elektromagnetvälja, universaalne gravitatsioon - läbi gravitatsioonivälja.
Tänapäeval tunneb füüsika nelja tüüpi põhilised vastasmõjud looduses eksisteerivad (intensiivsuse suurenemise järjekorras): gravitatsioonilised, nõrgad, elektromagnetilised ja tugev interaktsioon.
Põhilised vastasmõjud on sellised, mida ei saa taandada teist tüüpi interaktsioonidele.
|
||||||||||||||||||||
Põhilised vastasmõjud erinevad intensiivsuse ja toime ulatuse poolest (vt tabel 1.1). Toimeraadius on maksimaalne osakeste vaheline kaugus, millest kaugemale võib nende vastastikmõju tähelepanuta jätta.
Toimeraadiuse järgi jagunevad fundamentaalsed vastastikmõjud kaugmaa (gravitatsiooniline ja elektromagnetiline) ja lähimaa (nõrk ja tugev) vastastikmõjudeks (vt tabel 1.1).
Gravitatsiooniline vastastikmõju on universaalne: selles osalevad kõik looduses leiduvad kehad – tähtedest, planeetidest ja galaktikatest kuni mikroosakesteni: aatomid, elektronid, tuumad. Selle tegevusulatus on lõpmatuseni. Siiski, mis puudutab elementaarosakesed mikromaailma ja meid ümbritsevate objektide jaoks võimu makromaailmas gravitatsiooniline interaktsioon nii väikesed, et neid võib tähelepanuta jätta (vt tabel 1.1). See muutub märgatavaks koos interakteeruvate kehade massi suurenemisega ja määrab seetõttu käitumise taevakehad ning tähtede teke ja areng.
Nõrk interaktsioon on omane kõigile elementaarosakestele peale footoni. Ta vastutab enamuse eest tuumareaktsioonid lagunemine ja paljud elementaarosakeste muundumised.
Elektromagnetiline interaktsioon määrab aine struktuuri, ühendades aatomites ja molekulides elektrone ja tuumasid, ühendades aatomid ja molekulid erinevaid aineid. See määrab keemilised ja bioloogilised protsessid. Elektromagnetiline vastastikmõju põhjustab selliseid nähtusi nagu elastsus, hõõrdumine, viskoossus, magnetism ja moodustab vastavate jõudude olemuse. See ei mõjuta oluliselt makroskoopiliste elektriliselt neutraalsete kehade liikumist.
Tugev interaktsioon toimub hadronite vahel, mis hoiab nukleone tuumas.
1967. aastal lõid Sheldon Glashow, Abdus Salam ja Steven Weinberg teooria, mis ühendab elektromagnetilisi ja nõrk interaktsioonüheks elektronõrgaks interaktsiooniks vahemikus 10–17 m, mille piires kaob erinevus nõrga ja elektromagnetilise interaktsiooni vahel.
Praegu on välja pakutud suure ühendamise teooria, mille kohaselt on interaktsioone ainult kahte tüüpi: ühtne, mis hõlmab tugevat, nõrka ja elektromagnetilist vastasmõju, ning gravitatsiooniline vastastikmõju.
Samuti eeldatakse, et kõik neli interaktsiooni on ühe interaktsiooni avaldumise erijuhud.
Mehaanikas iseloomustab kehade vastastikust mõju üksteisele jõud (vt Jõud). Rohkem üldine omadus interaktsioon on potentsiaalne energia(vt Potentsiaalne energia).
Mehaanikas jagunevad jõud gravitatsiooniliseks, elastseks ja hõõrdejõuks. Nagu eespool mainitud, määravad mehaaniliste jõudude olemuse gravitatsioonilised ja elektromagnetilised vastasmõjud. Ainult neid vastastikmõjusid saab käsitleda jõududena Newtoni mehaanika mõistes. Tugev (tuuma) ja nõrk vastastikmõju avalduvad nii väikestel vahemaadel, et Newtoni mehaanikaseadused ja koos nendega mõiste mehaaniline jõud kaotavad oma tähenduse. Seetõttu tuleks mõistet "jõud" nendel juhtudel tajuda kui "koostoimet".
1.1. Gravitatsioon.
1.2. Elektromagnetism.
1.3. Nõrk interaktsioon.
1.4. Füüsika ühtsuse probleem.
2. Elementaarosakeste klassifikatsioon.
2.1. iseloomulik subatomilised osakesed.
2.2. leptonid.
2.3. Hadronid.
2.4. Osakesed on vastastikmõjude kandjad.
3. Elementaarosakeste teooriad.
3.1. Kvantelektrodünaamika.
3.2. Kvarkide teooria.
3.3. Elektronõrga interaktsiooni teooria.
3.4. Kvantkromodünaamika.
3.5. Teel suure ühinemise poole.
Bibliograafia.
Sissejuhatus.
Kahekümnenda sajandi keskel ja teisel poolel saadi aine põhistruktuuri uurivates füüsikaharudes tõeliselt hämmastavaid tulemusi. Esiteks avaldus see terve hulga uute subatomaarsete osakeste avastamises. Neid nimetatakse tavaliselt elementaarosakesteks, kuid mitte kõik neist pole tõeliselt elementaarsed. Paljud neist omakorda koosnevad veelgi enam elementaarosakestest. Subatomiliste osakeste maailm on tõeliselt mitmekesine. Nende hulka kuuluvad aatomituumadest koosnevad prootonid ja neutronid, aga ka tuumade ümber tiirlevad elektronid. Kuid on ka osakesi, mida meid ümbritsevas aines praktiliselt ei leidu. Nende eluiga on äärmiselt lühike, see on sekundi väikseim murdosa. Pärast seda äärmiselt lühikest aega lagunevad nad tavalisteks osakesteks. Selliseid ebastabiilseid lühiealisi osakesi on hämmastavalt palju: neist on teada juba mitusada. 1960. ja 1970. aastatel olid füüsikud äsja avastatud subatomaarsete osakeste arvu, mitmekesisuse ja kummalisuse pärast täiesti hämmingus. Näis, et neil pole lõppu. On täiesti ebaselge, miks seal nii palju osakesi on. Kas need elementaarosakesed on kaootilised ja juhuslikud ainefragmendid? Või võib-olla on neil võti universumi struktuuri mõistmiseks? Füüsika areng järgnevatel aastakümnetel näitas, et sellise struktuuri olemasolus pole kahtlust. Kahekümnenda sajandi lõpus. füüsika on hakanud mõistma iga elementaarosakese tähtsust. Subatomiliste osakeste maailma iseloomustab sügav ja ratsionaalne kord. See järjekord põhineb põhimõttel füüsilised vastasmõjud.
1. Fundamentaalsed füüsilised vastasmõjud.
Sinu Igapäevane elu inimene seisab silmitsi paljude tema kehale mõjuvate jõududega. Siin on tuule jõud või vastutulev veevool, õhurõhk, plahvatusohtlike kemikaalide võimas eraldumine, inimese lihasjõud, raskete esemete kaal, valguskvantide rõhk, elektrilaengute ligitõmbamine ja tõrjumine, seismilised lained mis mõnikord põhjustavad katastroofilist hävingut ja vulkaanipurskeid, mis viisid tsivilisatsiooni surmani jne. Mõned jõud toimivad vahetult kokkupuutel kehaga, teised, näiteks gravitatsioon, mõjuvad eemalt, läbi ruumi. Kuid nagu teoreetilise loodusteaduse arengu tulemusena selgus, saab nii suurest mitmekesisusest hoolimata kõik looduses tegutsevad jõud taandada vaid neljale fundamentaalsele vastastikmõjule. Just need vastasmõjud on lõppkokkuvõttes vastutavad kõigi maailmas toimuvate muutuste eest; need on kõigi kehade ja protsesside muutuste allikad. Fundamentaalsete vastastikmõjude omaduste uurimine on peamine ülesanne kaasaegne füüsika.
Gravitatsioon.
Füüsika ajaloos sai gravitatsioonist (gravitatsioon) esimene neljast fundamentaalsest vastastikmõjust, mis oli teadusliku uurimise objektiks. Pärast selle ilmumist 17. sajandil. Newtoni gravitatsiooniteooria – universaalse gravitatsiooni seadus – suutis esimest korda mõista gravitatsiooni kui loodusjõu tegelikku rolli. Gravitatsioonil on mitmeid tunnuseid, mis eristavad seda teistest fundamentaalsetest interaktsioonidest. Gravitatsiooni kõige üllatavam omadus on selle madal intensiivsus. Vesinikuaatomi komponentide vahelise gravitatsioonilise vastastikmõju suurus on 10n, kus n = - 3 9, lähtudes elektrilaengute vastasmõju jõust. (Kui vesinikuaatomi mõõtmed määraks gravitatsioon, mitte elektrilaengute vastastikmõju, siis oleks elektroni madalaim (tuumale lähim) orbiit mõõtmetelt suurem kui Universumi vaadeldav osa!) ( Kui vesinikuaatomi mõõtmed määraks gravitatsioon, mitte elektrilaengute vastastikmõju, siis madalaim (tuumale lähim) elektroni orbiit oleks mõõtmetelt suurem kui Universumi vaadeldav osa!). Võib tunduda üllatav, et me üldse tunneme gravitatsiooni, kuna see on nii nõrk. Kuidas saab temast universumis domineeriv jõud? See kõik puudutab gravitatsiooni teist hämmastavat omadust – selle universaalsust. Miski universumis pole gravitatsioonivaba. Iga osake kogeb gravitatsiooni mõju ja on ise gravitatsiooni allikas. Kuna iga aineosake avaldab gravitatsioonilist tõmmet, suureneb gravitatsioon, kui moodustuvad suuremad ainetükid. Me tunneme igapäevaelus gravitatsiooni, sest kõik Maa aatomid töötavad koos, et meid meelitada. Ja kuigi ühe aatomi gravitatsioonilise külgetõmbe mõju on tühine, võib kõigi aatomite külgetõmbejõud olla märkimisväärne. Gravitatsioon on pikamaa loodusjõud. See tähendab, et kuigi gravitatsioonilise vastasmõju intensiivsus kaugusega väheneb, levib see ruumis ja võib mõjutada allikast väga kaugel asuvaid kehasid. Astronoomilisel skaalal mängivad olulist rolli gravitatsioonilised vastasmõjud. Tänu pikamaategevusele takistab gravitatsioon Universumi lagunemist: hoiab planeete orbiitidel, tähti galaktikates, galaktikaid parvedena, parved metagalaktikas. Osakeste vahel mõjuv gravitatsioonijõud on alati ligitõmbav jõud: see kipub osakesi üksteisele lähemale tooma. Gravitatsioonilist tõrjumist pole kunagi varem täheldatud (kuigi kvaasiteadusliku mütoloogia traditsioonides on terve valdkond, mida nimetatakse levitatsiooniks - antigravitatsiooni "faktide" otsimine). Kuna igasse osakesesse salvestatud energia on alati positiivne ja annab sellele positiivse massi, kipuvad osakesed gravitatsiooni mõjul alati lähenema. Mis on gravitatsioon, teatud väli või aegruumi kõveruse ilming – sellele küsimusele pole siiani selget vastust. Nagu me juba märkisime, on selles küsimuses füüsikute arvamused ja arusaamad erinevad.
Elektromagnetism.
Suuruse järgi elektrilised jõud palju parem kui gravitatsioon. Erinevalt nõrgast gravitatsioonilisest vastastikmõjust on normaalse suurusega kehade vahel mõjuvaid elektrilisi jõude lihtne jälgida. Elektromagnetism on inimestele teada juba ammusest ajast (aurorad, välgusähvatused jne). Pikka aega uuriti elektrilisi ja magnetilisi protsesse üksteisest sõltumatult. Nagu me juba teame, tehti otsustav samm elektromagnetismi tundmises 19. sajandi keskel. J.C. Maxwell, kes ühendas elektri ja magnetismi ühtses elektromagnetismi teoorias – esimeses ühtses väljateoorias. Elektroni olemasolu kinnitati kindlalt eelmise sajandi 90ndatel. Nüüd on teada, et mis tahes aineosakese elektrilaeng on alati laengu põhiühiku kordne - omamoodi laengu aatom. Miks see nii on, on äärmiselt huvitav küsimus. Kuid mitte kõik materjaliosakesed ei ole elektrilaengu kandjad. Näiteks footon ja neutriino on elektriliselt neutraalsed. Selle poolest erineb elekter gravitatsioonist. Kõik materjali osakesed loovad gravitatsioonivälja, samas kui koos elektromagnetväli Seotakse ainult laetud osakesed. Nagu elektrilaengud, nagu magnetpoolused tõrjuvad ja vastupidised tõmbuvad. Kuid erinevalt elektrilaengutest ei esine magnetpoolused üksikult, vaid ainult paarikaupa - põhjapoolus ja lõunapoolus. Juba iidsetest aegadest on teada, et magneti jagamise teel on püütud saada ainult üks isoleeritud magnetpoolus - monopool. Kuid nad kõik lõppesid ebaõnnestumisega. Võib-olla isoleeritud olemasolu magnetpoolused looduses võimatu? Sellele küsimusele pole veel kindlat vastust. Mõned teoreetilised kontseptsioonid lubavad monopoli võimalust. Nagu elektrilised ja gravitatsioonilised vastasmõjud, järgib ka magnetpooluste vastastikmõju ruudu pöördseadust. Järelikult on elektri- ja magnetjõud "pika ulatusega" ja nende mõju on tunda allikast suurtel kaugustel. Seega ulatub Maa magnetväli kaugele avakosmosesse. Päikese võimas magnetväli täidab kogu päikesesüsteemi. Samuti on olemas galaktilised magnetväljad. Elektromagnetiline interaktsioon määrab aatomite struktuuri ja vastutab valdava enamuse füüsikaliste ja keemilised nähtused ja protsessid (va tuumaenergia).
Nõrk interaktsioon.
Füüsika on aeglaselt liikunud nõrga interaktsiooni olemasolu tuvastamise suunas. Nõrk jõud vastutab osakeste lagunemise eest; ja seetõttu seisis selle manifestatsioon vastamisi radioaktiivsuse avastamise ja beeta-lagunemise uurimisega. Beeta-lagunemine leiti aastal kõrgeim aste kummaline omadus. Uuringud viisid järeldusele, et see lagunemine rikub ühte füüsika põhiseadust - energia jäävuse seadust. Tundus, et selles lagunemises kadus osa energiast kuhugi. Energia jäävuse seaduse “päästmiseks” pakkus W. Pauli välja, et koos elektroniga eraldub beetalagunemise ajal veel üks osake. See on neutraalne ja ebatavaliselt kõrge läbitungimisvõimega, mistõttu seda ei olnud võimalik jälgida. E. Fermi nimetas nähtamatut osakest "neutriinoks". Kuid neutriinode ennustamine ja tuvastamine on alles probleemi, selle sõnastuse algus. Neutriinode olemust oli vaja selgitada, kuid siin jäi palju mõistatust. Fakt on see, et nii elektronid kui ka neutriinod kiirgasid välja ebastabiilsed tuumad. Kuid vaieldamatult tõestati, et tuumades pole selliseid osakesi. Kuidas need tekkisid? Arvati, et elektronid ja neutriinod ei eksisteeri tuumas "valmis kujul", vaid tekivad kuidagi radioaktiivse tuuma energiast. Edasised uuringud näitasid, et tuumas sisalduvad neutronid, mis on jäetud omaette, lagunevad mõne minuti pärast prootoniks, elektroniks ja neutriinoks, s.o. ühe osakese asemele ilmub kolm uut. Analüüsi tulemusena jõuti järeldusele, et tuntud jõud ei saa sellist lagunemist põhjustada. Ilmselt tekitas selle mingi muu, tundmatu jõud. Uuringud on näidanud, et see jõud vastab mõnele nõrgale vastasmõjule. See on palju nõrgem kui elektromagnetiline, kuigi tugevam kui gravitatsiooniline. See levib väga lühikestel vahemaadel. Nõrga interaktsiooni raadius on väga väike. Nõrk interaktsioon peatub allikast kaugemal kui 10n cm (kus n = -1 6) ja seetõttu ei saa see mõjutada makroskoopilisi objekte, vaid piirdub üksikute subatomaarsete osakestega. Seejärel selgus, et enamik ebastabiilseid elementaarosakesi osaleb nõrkades interaktsioonides. Nõrga interaktsiooni teooria lõid 60ndate lõpus S. Weinberg ja A. Salam. Alates Maxwelli elektromagnetvälja teooriast oli selle teooria loomine suurim samm füüsika ühtsuse suunas. 10.
Tugev interaktsioon.
Põhiliste interaktsioonide reas viimane on tugev vastastikmõju, mis on tohutu energia allikas. Enamik tüüpiline näide Tugevast vastasmõjust vabanev energia on meie Päike. Päikese ja tähtede sügavustes toimuvad kindlast ajast alates pidevalt tugevast vastasmõjust põhjustatud termotuumareaktsioonid. Kuid inimene on õppinud vabastama ka tugevaid vastastikmõjusid: loodud on vesinikupomm, konstrueeritud ja täiustatud juhitavate termotuumareaktsioonide tehnoloogiaid. Füüsika jõudis struktuuri uurimise käigus ideele tugeva interaktsiooni olemasolust aatomituum. Mingi jõud peab prootoneid tuumas hoidma, vältides nende hajumist elektrostaatilise tõukejõu mõjul. Gravitatsioon on selleks liiga nõrk; Ilmselgelt on vaja mingit uut interaktsiooni, pealegi tugevamat kui elektromagnetiline. Hiljem see avastati. Selgus, et kuigi tugev vastastikmõju ületab oma suurusjärgus oluliselt kõiki teisi fundamentaalseid interaktsioone, ei ole see väljaspool tuuma tunda. Tegevusraadius uut jõudu osutus väga väikeseks. Tugev jõud langeb järsult prootonist või neutronist kaugemal kui umbes 10n cm (kus n = -13). Lisaks selgus, et mitte kõik osakesed ei koge tugevat vastasmõju. Seda kogevad prootonid ja neutronid, kuid elektronid, neutriinod ja footonid sellele ei allu. Tugevas interaktsioonis osalevad ainult raskemad osakesed. Tugeva interaktsiooni olemuse teoreetilist selgitust on olnud raske välja töötada. Läbimurre toimus 60ndate alguses, kui pakuti välja kvargi mudel. Selles teoorias ei käsitleta neutroneid ja prootoneid mitte elementaarosakestena, vaid kvarkidest üles ehitatud komposiitsüsteemidena. Seega on fundamentaalsetes füüsikalistes interaktsioonides selgelt näha erinevus kaug- ja lühimaajõudude vahel. Ühelt poolt on olemas piiramatu ulatusega vastastikmõjud (gravitatsioon, elektromagnetism) ja teiselt poolt lühikese ulatusega vastastikmõjud (tugev ja nõrk). Füüsikaliste elementide maailm tervikuna rullub lahti nende kahe polaarsuse ühtsuses ja on üliväikese ja ülisuure ühtsuse kehastus – lühimaa tegevus mikromaailmas ja kaugtegevus kogu universumis.
Füüsika ühtsuse probleem.
Teadmised on reaalsuse üldistus ja seetõttu on teaduse eesmärk looduse ühtsuse otsimine, sidudes üksteisest erinevad teadmiste killud ühtseks pildiks. Selleks, et luua ühtne süsteem, tuleb avada ühenduslüli erinevate teadmisharude vahel, mingi fundamentaalne suhe. Selliste seoste ja seoste otsimine on üks teadusliku uurimistöö põhiülesandeid. Alati, kui on võimalik selliseid uusi seoseid luua, süveneb oluliselt arusaam ümbritsevast maailmast, kujunevad uued teadmisviisid, mis näitavad teed senitundmatute nähtuste juurde. Sügavate seoste loomine erinevate loodusalade vahel on nii teadmiste süntees kui ka meetod, mis suunab teadusuuringuid mööda uusi, tallamata teid. Newtoni avastus seose kohta maapealsetes tingimustes kehade külgetõmbe ja planeetide liikumise vahel tähistas sündi. klassikaline mehaanika, mille alusel ehitatakse üles kaasaegse tsivilisatsiooni tehnoloogiline baas. Ühenduse loomine termodünaamilised omadused gaas koos molekulide kaootilise liikumisega asetas aine aatom-molekulaarse teooria kindlale alusele. Eelmise sajandi keskel lõi Maxwell ühtse elektromagnetilise teooria, mis hõlmas nii elektrilisi kui ka magnetnähtusi. Siis, meie sajandi 20ndatel, tegi Einstein katseid kombineerida ühtne teooria elektromagnetism ja gravitatsioon. Kuid kahekümnenda sajandi keskpaigaks. Olukord füüsikas on kardinaalselt muutunud: avastatud on kaks uut fundamentaalset vastastikmõju – tugev ja nõrk, s.t. loomise ajal ühtne füüsika me ei pea enam arvestama kahe, vaid nelja fundamentaalse vastasmõjuga. See jahutas mõnevõrra nende õhinat, kes lootsid kiire otsus see probleem. Kuid ideed ennast tõsiselt kahtluse alla ei seatud ja entusiasm ühe kirjelduse idee vastu ei kadunud kuhugi. On seisukoht, et kõik neli (või vähemalt kolm) vastastikmõju esindavad sama laadi nähtusi ja tuleb leida nende ühtne teoreetiline kirjeldus. Väljavaade luua füüsikaliste elementide maailma ühtne teooria, mis põhineb ühel fundamentaalsel interaktsioonil, jääb väga ahvatlevaks. See on 20. sajandi füüsikute peamine unistus. Kuid see jäi pikaks ajaks vaid unistuseks ja väga ebamääraseks. Kuid kahekümnenda sajandi teisel poolel. selle unistuse elluviimiseks olid eeldused ja kindlustunne, et see pole sugugi kauge tuleviku küsimus. Näib, et see võib peagi reaalsuseks saada. Otsustav samm ühtse teooria suunas tehti 60.-70. esmalt kvarkide teooria ja seejärel elektronõrga interaktsiooni teooria loomisega. On põhjust arvata, et oleme võimsama ja sügavama ühinemise lävel kui kunagi varem. Füüsikute seas kasvab arvamus, et kõigi fundamentaalsete vastastikmõjude ühtse teooria – Suure Unifikatsiooni – kontuurid hakkavad tekkima.
2 . Elementaarosakeste klassifikatsioon.
Inimene on pikka aega püüdnud tundma õppida ja mõista teda ümbritsevat füüsilist maailma. Selgub, et kogu meie maailmas toimuvate füüsikaliste protsesside lõpmatu mitmekesisus on seletatav väga väikese arvu fundamentaalsete interaktsioonide olemasoluga looduses. Nende omavaheline suhtlus selgitab taevakehade korrapärast paigutust Universumis. Need on "elemendid", mis liigutavad taevakehasid, genereerivad valgust ja muudavad elu enda võimalikuks (vt. Rakendus
).
Seega toimuvad kõik looduses toimuvad protsessid ja nähtused, olgu selleks õuna kukkumine, supernoova plahvatus, pingviini hüppamine või ainete radioaktiivne lagunemine, just nende vastastikmõjude tulemusena.
Nende kehade aine struktuur on stabiilne selle koostises olevate osakeste vaheliste sidemete tõttu.
1. INTERAKTSIOONIDE LIIGID
Hoolimata asjaolust, et aine sisaldab suurt hulka elementaarosakesi, on nende vahel ainult nelja tüüpi fundamentaalseid interaktsioone: gravitatsiooniline, nõrk, elektromagnetiline ja tugev.
Kõige põhjalikum on gravitatsiooniline
interaktsiooni
. Sellele alluvad eranditult kõik materiaalsed vastasmõjud – nii mikroosakesed kui ka makrokehad. See tähendab, et selles osalevad kõik elementaarosakesed. See avaldub universaalse gravitatsiooni kujul. Gravitatsioon
(ladina keelest Gravitas – raskustunne) kontrollib kõige rohkem globaalsed protsessid Universumis tagab eelkõige meie struktuuri ja stabiilsuse Päikesesüsteem. Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt tekib iga vastastikmõju osakeste vahetuse tulemusena, mida nimetatakse selle interaktsiooni kandjateks. Gravitatsiooniline interaktsioon toimub vahetuse kaudu gravitonid
.
, nagu gravitatsiooniline, on oma olemuselt pikamaa: vastavad jõud võivad avalduda väga olulistel vahemaadel. Elektromagnetilist interaktsiooni kirjeldavad ühte tüüpi (elektrilised) laengud, kuid neil laengutel võib olla juba kaks märki - positiivne ja negatiivne. Erinevalt gravitatsioonist võivad elektromagnetilised jõud olla nii ligitõmbavad kui ka tõrjuvad jõud. Füüsiline ja Keemilised omadused See interaktsioon määrab erinevate ainete, materjalide ja eluskoe ise. Samuti toidab see kõiki elektri- ja elektroonikaseadmeid, s.t. ühendab omavahel ainult laetud osakesi. teooria elektromagnetiline interaktsioon makrokosmoses nimetatakse seda klassikaliseks elektrodünaamikaks.
Nõrk interaktsioon
väljaspool vähem tuntud kitsas ring füüsikud ja astronoomid, kuid see ei vähenda kuidagi selle tähtsust. Piisab, kui öelda, et kui seda seal poleks, kustuks Päike ja teised tähed, sest nende kuma tagavates reaktsioonides mängib nõrk vastastikmõju väga suurt rolli. oluline roll. Nõrk vastastikmõju on lühimaa: selle raadius on ligikaudu 1000 korda väiksem kui tuumajõududel.
Tugev interaktsioon
– kõigist teistest võimsaim. See määratleb ühendused ainult hadronite vahel. Aatomituumas nukleonide vahel toimivad tuumajõud on seda tüüpi interaktsiooni ilming. See on umbes 100 korda tugevam kui elektromagnetiline energia. Erinevalt viimasest (ja ka gravitatsioonilisest) on see esiteks lühiulatusega kaugemal kui 10–15 m (tuuma suuruse järgi), vastavad jõud prootonite ja neutronite vahel, järsult vähenedes, lakkavad. et neid omavahel siduda. Teiseks saab seda rahuldavalt kirjeldada vaid kolme keerulisi kombinatsioone moodustava laengu (värvi) abil.
Tabelis 1 on ligikaudselt toodud põhirühmadesse (hadronid, leptonid, interaktsioonikandjad) kuuluvad olulisemad elementaarosakesed.
Tabel 1
Põhiliste elementaarosakeste osalemine vastastikmõjudes
Põhilise interaktsiooni kõige olulisem omadus on selle toime ulatus. Toimeraadius on maksimaalne osakeste vaheline kaugus, millest kaugemale võib nende vastastikmõju tähelepanuta jätta (Tabel 2). Väikeses raadiuses interaktsiooni nimetatakse lühitoimeline , suurte - pikamaa .
tabel 2
Põhiliste interaktsioonide peamised omadused
Tugev ja nõrk koostoime on lühiajaline . Nende intensiivsus väheneb kiiresti osakeste vahelise kauguse suurenedes. Sellised vastasmõjud toimuvad lühikese vahemaa tagant, mis ei ole meeltega tajutav. Sel põhjusel avastati need vastasmõjud hiljem kui teised (ainult 20. sajandil), kasutades kompleksi eksperimentaalsed rajatised. Elektromagnetiline ja gravitatsiooniline vastastikmõju on pikamaa . Sellised vastasmõjud vähenevad aeglaselt osakeste vahelise kauguse suurenedes ja neil ei ole piiratud toimevahemikku.
2. VASTAVUSKOHTUMINE AINETE STRUKTUURIDE SIDENA
Aatomituumas määrab prootonite ja neutronite vaheline side tugev interaktsioon . See tagab erakordse südamiku tugevuse, mis on aluseks aine stabiilsusele maapealsetes tingimustes.
Nõrk interaktsioon miljon korda vähem intensiivne kui tugev. See toimib enamiku üksteisest vähem kui 10–17 m kaugusel asuvate elementaarosakeste vahel Nõrk vastastikmõju määrab uraani radioaktiivse lagunemise ja termotuumasünteesi reaktsioonid Päikesel. Nagu teate, on Päikese kiirgus peamine eluallikas Maal.
Elektromagnetiline interaktsioon , olles pikamaa, määrab aine struktuuri väljaspool tugeva interaktsiooni ulatust. Elektromagnetiline jõud seob elektrone ja tuumasid aatomites ja molekulides. See ühendab aatomeid ja molekule erinevateks aineteks ning määrab keemilised ja bioloogilised protsessid. Seda vastasmõju iseloomustavad elastsus-, hõõrde-, viskoossus- ja magnetjõud. Eelkõige põhjustab lühikestel vahemaadel paiknevate molekulide elektromagnetiline tõrjumine maapinna reaktsioonijõu, mille tulemusena me näiteks läbi põranda ei kuku. Elektromagnetiline interaktsioon ei avalda olulist mõju makroskoopiliste kehade vastastikusele liikumisele suur mass, kuna iga keha on elektriliselt neutraalne, st. see sisaldab ligikaudu sama number positiivsed ja negatiivsed laengud.
Gravitatsiooniline interaktsioon otseselt võrdeline vastastikku interakteeruvate kehade massiga. Elementaarosakeste väikese massi tõttu on osakeste vaheline gravitatsiooniline vastastikmõju teiste vastastikmõju tüüpidega võrreldes väike, seetõttu on mikromaailma protsessides see vastastikmõju tähtsusetu. Kui vastastikmõjus olevate kehade mass suureneb (st nendes sisalduvate osakeste arvu suurenedes), suureneb gravitatsiooniline vastastikmõju kehade vahel otseselt võrdeliselt nende massiga. Sellega seoses saab makrokosmoses, kui arvestada planeetide, tähtede, galaktikate liikumist, aga ka väikeste makroskoopiliste kehade liikumist nende väljadel, gravitatsiooniline vastastikmõju. See hoiab atmosfääri, mered ja kõike Maal elavat ja elutut, Maa tiirleb ümber Päikese ja Päike galaktikas. Gravitatsiooniline interaktsioon mängib tähtede tekkes ja evolutsioonis suurt rolli. Elementaarosakeste fundamentaalseid vastastikmõjusid on kujutatud spetsiaalsete diagrammide abil, kus reaalne osake vastab sirgjoonele ja tema vastastikmõju teise osakesega on kujutatud kas punktiirjoone või kõveraga (joonis 1).
Elementaarosakeste vastastikmõjude skeemid
Põhiliste vastastikmõjude kaasaegseid füüsilisi kontseptsioone täiustatakse pidevalt. 1967. aastal Sheldon Glashow, Abdus Salam Ja Steven Weinberg lõi teooria, mille kohaselt elektromagnetiline ja nõrk vastastikmõju on ühe elektroonõrga interaktsiooni ilming. Kui kaugus elementaarosakesest on väiksem kui toimeraadius nõrgad jõud(10–17 m), siis kaob erinevus elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju vahel. Seega vähendati fundamentaalsete interaktsioonide arvu kolmele.
"Suure ühinemise" teooria.
Mõned füüsikud, eriti G. Georgi ja S. Glashow, soovitasid, et üleminekul kõrgematele energiatele peaks toimuma teine ühinemine – elektrinõrga interaktsiooni ühendamine tugevaga. Vastavaid teoreetilisi skeeme nimetatakse "suure ühendamise" teooriaks. Ja seda teooriat katsetatakse praegu eksperimentaalselt. Selle teooria kohaselt, mis ühendab endas tugevad, nõrgad ja elektromagnetilised vastasmõjud, on ainult kahte tüüpi vastastikmõju: ühtne ja gravitatsiooniline. Võimalik, et kõik neli vastasmõju on ühe interaktsiooni vaid osalised ilmingud. Selliste eelduste eeldusi peetakse silmas, kui arutletakse Universumi tekketeooria üle (Suure Paugu teooria). teooria" Suur pauk” selgitab, kuidas mateeria ja energia koosmõjul sündisid tähed ja galaktikad.
Põhilised interaktsioonid
Looduses on tohutult erinevaid looduslikke süsteeme ja struktuure, mille eripära ja areng on seletatav materiaalsete objektide vastastikmõjuga, see tähendab vastastikuse tegevusega üksteisega. Täpselt nii interaktsioon on aine liikumise peamine põhjus ja see on iseloomulik kõigile materiaalsetele objektidele, sõltumata nende päritolust ja süsteemsest korraldusest. Interaktsioon on universaalne, nagu ka liikumine. Interakteeruvad objektid vahetavad energiat ja hoogu (need on nende liikumise peamised omadused). IN klassikaline füüsika interaktsiooni määrab jõud, millega üks materiaalne objekt teisele mõjub. Pikka aega oli paradigma kaugtegevuse kontseptsioon - üksteisest suurel kaugusel asuvate materiaalsete objektide interaktsioon, mis kandub koheselt läbi tühja ruumi. Praegu on eksperimentaalselt kinnitatud veel üks - lühimaa interaktsiooni kontseptsioon - vastastikmõju edastatakse füüsikaliste väljade abil, mille lõplik kiirus ei ületa valguse kiirust vaakumis. Füüsiline väli – eriline liik aine, mis tagab materiaalsete objektide ja nende süsteemide vastasmõju (järgmised väljad: elektromagnetiline, gravitatsiooniline, tuumajõudude väli - nõrk ja tugev). Füüsikalise välja allikaks on elementaarosakesed (elektromagnetilised - laetud osakesed), in kvantteooria interaktsiooni põhjustab väljakvantide vahetus osakeste vahel.
Looduses on neli fundamentaalset vastastikmõju: tugev, elektromagnetiline, nõrk ja gravitatsiooniline, mis määravad ümbritseva maailma struktuuri.
Tugev interaktsioon(tuuma vastastikmõju) – vastastikune külgetõmme komponendid aatomituumades (prootonites ja neutronites) ning toimib suurusjärgus 10 -1 3 cm kaugusel, mida edastavad gluoonid. Elektromagnetilise vastasmõju seisukohalt on prooton ja neutron - erinevad osakesed, kuna prooton on elektriliselt laetud, aga neutron mitte. Kuid tugeva interaktsiooni seisukohalt on need osakesed eristamatud, kuna stabiilses olekus on neutron ebastabiilne osake ja laguneb prootoniks, elektroniks ja neutriinoks, kuid tuuma sees muutub see oma omadustelt sarnaseks prootoniga, mistõttu mõiste "nukleon ( lat. keelest. tuum- tuum)” ja neutroniga prootonit hakati käsitlema nukleoni kahe erineva olekuna. Mida tugevam on nukleonide vastastikmõju tuumas, seda stabiilsem on tuum, seda suurem on spetsiifiline sidumisenergia.
Stabiilses aines prootonite ja neutronite vastastikmõju mitte liiga kõrgel temperatuuril suureneb, aga kui toimub tuumade või nende osade (kõrge energiaga nukleonide) kokkupõrge, siis tekivad tuumareaktsioonid, millega kaasneb tohutu energia vabanemine.
Teatud tingimustel seob tugev interaktsioon väga kindlalt osakesed aatomituumadeks - materjalisüsteemid suure sidumisenergiaga. Just sel põhjusel on aatomite tuumad väga stabiilsed ja neid on raske hävitada.
Ilma tugeva vastastikmõjuta ei eksisteeriks aatomituumi ning tähed ja Päike ei suudaks tuumaenergiat kasutades soojust ja valgust toota.
Elektromagnetiline interaktsioon edastatakse elektri- ja magnetvälja abil. Elektrilaengute juuresolekul tekib elektriväli ja nende liikumisel tekib magnetväli. Muutuv elektriväli tekitab vahelduva magnetvälja – see on vahelduva magnetvälja allikas. Seda tüüpi vastastikmõju on iseloomulik elektriliselt laetud osakestele. Elektromagnetilise interaktsiooni kandjaks on footon, millel pole laengut – elektromagnetvälja kvant. Elektromagnetilise interaktsiooni käigus ühinevad elektronid ja aatomituumad aatomiteks ning aatomid molekulideks. Teatud mõttes on see interaktsioon keemias ja bioloogias põhiline.
Umbes 90% teabest meid ümbritseva maailma kohta saame elektromagnetlaine kaudu, kuna erinevad aine olekud, hõõrdumine, elastsus jne. on määratud molekulidevahelise interaktsiooni jõududega, mis on oma olemuselt elektromagnetilised. Elektromagnetilisi vastastikmõjusid kirjeldavad Coulombi, Ampere'i ja Maxwelli elektromagnetiteooria seadused.
Elektromagnetiline interaktsioon on aluseks erinevate elektriseadmete, raadiote, televiisorite, arvutite jne loomisele. See on umbes tuhat korda nõrgem kui tugev, kuid palju pikema ulatusega.
Ilma elektromagnetiliste vastasmõjude korral ei oleks aatomeid, molekule, makroobjekte, soojust ja valgust.
3. Nõrk interaktsioon võib-olla erinevate osakeste vahel, välja arvatud footon, on see lühiulatusega ja avaldub vahemaadel, mis on väiksemad kui aatomituuma suurus 10 -15 - 10 -22 cm Nõrk vastastikmõju on nõrgem kui tugev vastastikmõju ja nõrga vastasmõjuga protsessid kulgevad aeglasemalt kui tugeva interaktsiooni korral. Vastutab ebastabiilsete osakeste lagunemise eest (näiteks neutroni muundumine prootoniks, elektroniks, antineutriinoks). Selle interaktsiooni tõttu on enamik osakesi ebastabiilsed. Nõrga interaktsiooni kandjad - viionid, osakesed massiga 100 korda rohkem massi prootonid ja neutronid. Tänu sellele interaktsioonile paistab Päike (prooton muutub neutroniks, positroniks, neutriinoks, emiteeritud neutriinol on tohutu läbitungimisvõime).
Ilma nõrkade vastasmõjudeta poleks tuumareaktsioonid Päikese ja tähtede sügavustes võimalikud ning uusi tähti ei tekiks.
4. Gravitatsiooniline interaktsioon kõige nõrgemat, elementaarosakeste teoorias arvesse ei võeta, kuna iseloomulikel kaugustel (10 -13 cm) on mõju väike ning üliväikestel vahemaadel (10 -33 cm) ja ülisuurtel energiatel on gravitatsioon. muutub oluliseks ja hakkavad ilmnema füüsikalise vaakumi ebatavalised omadused .
Gravitatsioon (ladina keelest gravitas - "gravitatsioon") - põhiline vastastikmõju on pikamaa (see tähendab, et ükskõik kui massiivselt keha liigub, sõltub gravitatsioonipotentsiaal mis tahes ruumipunktis ainult keha asendist antud kohas ajahetk) ja kõik materiaalsed kehad alluvad sellele . Põhimõtteliselt mängib gravitatsioon kosmilisel skaalal, Megamaailmas, otsustavat rolli.
Klassikalise mehaanika raames kirjeldatakse gravitatsioonilist vastastikmõju universaalse gravitatsiooni seadus Newton, kes väidab, et gravitatsiooniline külgetõmbejõud kahe materiaalse massipunkti vahel m 1 ja m 2 vahemaaga eraldatud R, Seal on
Kus G- gravitatsioonikonstant.
Ilma gravitatsioonilise vastasmõjuta ei eksisteerinud galaktikaid, tähti, planeete ega universumi arengut.
Aeg, mille jooksul elementaarosakeste muundumine toimub, sõltub vastastikmõju tugevusest (tugeva interaktsiooni korral toimuvad tuumareaktsioonid 10 -24 - 10 -23 s jooksul, elektromagnetilisega - muutused toimuvad 10 -19 - 10 -21 sekundi jooksul. , nõrga lagunemisega 10–10 sekundi jooksul).
Kõik vastastikmõjud on vajalikud ja piisavad keeruka ja mitmekesise materiaalse maailma ülesehitamiseks, millest teadlaste hinnangul on võimalik saada superjõud(väga kõrged temperatuurid või energiad, kõik neli vastasmõju on ühendatud üks).
Igapäevaelus puutume kokku mitmesuguste kehade kokkupõrkest, hõõrdumisest, plahvatusest, keerme pingest, vedru kokkusurumisest jne tulenevate jõududega. Kõik need jõud on aga aatomite omavahelise elektromagnetilise vastasmõju tulemus. Elektromagnetilise interaktsiooni teooria lõi Maxwell 1863. aastal.
Teine ammu tuntud interaktsioon on gravitatsiooniline vastastikmõju kehade ja massi vahel. 1915. aastal lõi Einstein üldine teooria relatiivsusteooria, mis ühendas gravitatsioonivälja aegruumi kõverusega.
1930. aastatel Avastati, et aatomite tuumad koosnevad nukleonitest ning ei elektromagnetilised ega gravitatsioonilised vastasmõjud ei suuda seletada, mis nukleone tuumas hoiab. Tugev interaktsioon pakuti välja nukleonide interaktsiooni kirjeldamiseks tuumas.
Mikromaailma uurimist jätkates selgus, et mõningaid nähtusi ei kirjeldata kolme tüüpi interaktsiooniga. Seetõttu pakuti neutronite lagunemise ja muude sarnaste protsesside kirjeldamiseks nõrk interaktsioon.
Tänapäeval on kõik looduses tuntud jõud nelja korrutis põhilised vastasmõjud, mida saab järjestada intensiivsuse kahanevas järjekorras järgmises järjekorras:
- 1) tugev interaktsioon;
- 2) elektromagnetiline vastastikmõju;
- 3) nõrk interaktsioon;
- 4) gravitatsiooniline vastastikmõju.
Fundamentaalseid vastastikmõjusid kannavad elementaarosakesed – fundamentaalsete vastastikmõjude kandjad. Neid osakesi nimetatakse mõõta bosoneid. Kehade fundamentaalsete vastastikmõjude protsessi saab kujutada järgmisel viisil. Iga keha kiirgab osakesi – vastastikmõjude kandjaid, mida teine keha neelab. Sel juhul kogevad kehad vastastikust mõju.
Tugev interaktsioon võib esineda prootonite, neutronite ja teiste hadronite vahel (vt allpool). See on lühimaa ja seda iseloomustab jõudude toimeraadius suurusjärgus 10 15 m. Hadronite vahelise tugeva vastasmõju kandja on pojengid, ja interaktsiooni kestus on umbes 10 23 s.
Elektromagnetiline interaktsioon on tugeva interaktsiooniga võrreldes neli suurusjärku madalam intensiivsus. See toimub laetud osakeste vahel. Elektromagnetiline interaktsioon on pikatoimeline ja seda iseloomustab lõpmatu jõudude toimeraadius. Elektromagnetilise interaktsiooni kandja on footonid ja interaktsiooni kestus on umbes 10–20 s.
Nõrk interaktsioon on tugeva interaktsiooniga võrreldes 20 suurusjärku madalam intensiivsus. See võib esineda hadronite ja leptonite vahel (vt allpool). Leptonite hulka kuuluvad eelkõige elektronid ja neutriinod. Nõrga interaktsiooni näide on ülalpool käsitletud neutronite p-lagunemine. Nõrk vastastikmõju on lühimaa ja seda iseloomustab jõudude toimeraadius suurusjärgus 10 18 m. Nõrga vastasmõju kandja on vektorbosonid, ja interaktsiooni kestus on umbes 10 10 s.
Gravitatsiooniline interaktsioon on tugeva interaktsiooniga võrreldes 40 suurusjärku madalam intensiivsus. See toimub kõigi osakeste vahel. Gravitatsiooniline interaktsioon on pikaajaline ja seda iseloomustab lõpmatu jõudude toimeraadius. Gravitatsioonilise interaktsiooni kandja võib olla gravitonid. Neid osakesi pole veel leitud, mis võib olla tingitud gravitatsioonilise interaktsiooni madalast intensiivsusest. See on seotud ka asjaoluga, et elementaarosakeste väikeste masside tõttu on see vastastikmõju tuumafüüsika protsessides ebaoluline.
1967. aastal tegid A. Salam ja S. Weinberg ettepaneku elektrinõrga interaktsiooni teooria, mis ühendas elektromagnetilise ja nõrga vastasmõju. 1973. aastal loodi tugeva interaktsiooni teooria kvantkromodünaamika. Kõik see võimaldas luua standardmudel elementaarosakesed, mis kirjeldavad elektromagnetilist, nõrka ja tugevat vastastikmõju. Kõik kolm siin käsitletud interaktsiooni tüüpi tulenevad postulaadist, et meie maailm on kolme tüüpi gabariiditeisenduste suhtes sümmeetriline.