Svak interaksjon
Denne interaksjonen er den svakeste av de fundamentale interaksjonene som er observert eksperimentelt i forfall av elementærpartikler, der kvanteeffekter er fundamentalt signifikante. La oss huske at kvantemanifestasjoner av gravitasjonsinteraksjon aldri har blitt observert. Svak interaksjon skilles ut ved å bruke følgende regel: hvis en elementær partikkel kalt en nøytrino (eller antinøytrino) deltar i interaksjonsprosessen, er denne interaksjonen svak.
Den svake interaksjonen er mye mer intens enn gravitasjonsinteraksjonen.
Den svake interaksjonen, i motsetning til gravitasjonsinteraksjonen, er kortdistanse. Det betyr at den svake kraften mellom partiklene først spiller inn dersom partiklene er nærme nok hverandre. Hvis avstanden mellom partiklene overskrider en viss verdi som kalles den karakteristiske interaksjonsradius, manifesterer ikke den svake interaksjonen seg. Det er eksperimentelt fastslått at den karakteristiske radiusen for svak interaksjon er omtrent 10-15 cm, det vil si at svak interaksjon er konsentrert til avstander mindre enn størrelsen på atomkjernen.
Hvorfor kan vi snakke om svak interaksjon som en uavhengig type fundamental interaksjon? Svaret er enkelt. Det er fastslått at det er prosesser for transformasjon av elementærpartikler som ikke er redusert til gravitasjons-, elektromagnetiske og sterke interaksjoner. Et godt eksempel som viser at det er tre kvalitativt forskjellige interaksjoner i kjernefysiske fenomener kommer fra radioaktivitet. Eksperimenter indikerer tilstedeværelsen av tre forskjellige typer radioaktivitet: a-, b- og g-radioaktive henfall. I dette tilfellet er a-forfall på grunn av sterk interaksjon, g-forfall skyldes elektromagnetisk interaksjon. Det gjenværende b-forfallet kan ikke forklares med de elektromagnetiske og sterke interaksjonene, og vi er tvunget til å akseptere at det er en annen fundamental interaksjon, kalt de svake. I det generelle tilfellet skyldes behovet for å innføre svak interaksjon det faktum at prosesser forekommer i naturen der elektromagnetiske og sterke forfall er forbudt av bevaringslover.
Selv om den svake interaksjonen er betydelig konsentrert i kjernen, har den visse makroskopiske manifestasjoner. Som vi allerede har bemerket, er det assosiert med prosessen med b-radioaktivitet. I tillegg spiller den svake interaksjonen en viktig rolle i de såkalte termonukleære reaksjonene som er ansvarlige for mekanismen for energifrigjøring i stjerner.
Den mest fantastiske egenskapen til den svake interaksjonen er eksistensen av prosesser der speilasymmetri er manifestert. Ved første øyekast virker det åpenbart at forskjellen mellom begrepene venstre og høyre er vilkårlig. Faktisk er prosessene med gravitasjon, elektromagnetisk og sterk interaksjon invariante med hensyn til romlig inversjon, som utfører speilrefleksjon. Det sies at i slike prosesser er den romlige pariteten P bevart. Imidlertid er det eksperimentelt fastslått at svake prosesser kan fortsette med ikke-konservering av romlig paritet og ser derfor ut til å føle forskjellen mellom venstre og høyre. For tiden er det solide eksperimentelle bevis på at paritets-ikke-konservering i svake interaksjoner er universell i naturen, det manifesterer seg ikke bare i forfall av elementære partikler, men også i kjernefysiske og til og med atomfenomener. Det bør erkjennes at speilasymmetri er en egenskap ved naturen på det mest grunnleggende nivået.
Alle ladede legemer, alle ladede elementærpartikler deltar i elektromagnetisk interaksjon. Slik sett er det ganske universelt. Den klassiske teorien om elektromagnetisk interaksjon er Maxwellsk elektrodynamikk. Elektronladningen e tas som koblingskonstanten.
Hvis vi vurderer to punktladninger q1 og q2 i hvile, vil deres elektromagnetiske interaksjon reduseres til en kjent elektrostatisk kraft. Dette betyr at interaksjonen er langdistanse og avtar sakte ettersom avstanden mellom ladningene øker. En ladet partikkel sender ut et foton, noe som får dens bevegelsestilstand til å endre seg. En annen partikkel absorberer dette fotonet og endrer også bevegelsestilstanden. Som et resultat ser det ut til at partiklene føler nærværet av hverandre. Det er velkjent at elektrisk ladning er en dimensjonal størrelse. Det er praktisk å introdusere den dimensjonsløse koblingskonstanten for elektromagnetisk interaksjon. For å gjøre dette må du bruke de grunnleggende konstantene og c. Som et resultat kommer vi til den følgende dimensjonsløse koblingskonstanten, kalt finstrukturkonstanten i atomfysikk
Det er lett å se at denne konstanten betydelig overstiger konstantene for gravitasjons- og svake interaksjoner.
Fra et moderne synspunkt representerer elektromagnetiske og svake interaksjoner forskjellige aspekter av en enkelt elektrosvak interaksjon. En enhetlig teori om elektrosvak interaksjon har blitt laget - Weinberg-Salam-Glashow-teorien, som forklarer alle aspekter ved elektromagnetiske og svake interaksjoner fra en enhetlig posisjon. Er det mulig å forstå på et kvalitativt nivå hvordan oppdelingen av den kombinerte interaksjonen i separate, tilsynelatende uavhengige interaksjoner skjer?
Så lenge de karakteristiske energiene er tilstrekkelig små, skilles de elektromagnetiske og svake interaksjonene og påvirker ikke hverandre. Når energien øker, begynner deres gjensidige påvirkning, og ved tilstrekkelig høye energier smelter disse interaksjonene sammen til en enkelt elektrosvak interaksjon. Den karakteristiske foreningsenergien er estimert i størrelsesorden til 102 GeV (GeV er en forkortelse for gigaelektron-volt, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). Til sammenligning bemerker vi at den karakteristiske energien til et elektron i grunntilstanden til et hydrogenatom er omtrent 10-8 GeV, den karakteristiske bindingsenergien til en atomkjerne er omtrent 10-2 GeV, og den karakteristiske bindingsenergien til et fast stoff er omtrent 10-10 GeV. Dermed er den karakteristiske energien ved å kombinere elektromagnetiske og svake interaksjoner enorm sammenlignet med de karakteristiske energiene i atom- og kjernefysikk. Av denne grunn manifesterer ikke elektromagnetiske og svake interaksjoner sin eneste essens i vanlige fysiske fenomener.
Sterk interaksjon
Den sterke interaksjonen er ansvarlig for stabiliteten til atomkjerner. Siden atomkjernene til de fleste kjemiske grunnstoffer er stabile, er det klart at interaksjonen som holder dem fra forfall må være ganske sterk. Det er velkjent at kjerner består av protoner og nøytroner. For å forhindre at positivt ladede protoner sprer seg i forskjellige retninger, er det nødvendig å ha attraktive krefter mellom dem som overstiger kreftene til elektrostatisk frastøtning. Det er det sterke samspillet som er ansvarlig for disse attraktive kreftene.
Et karakteristisk trekk ved den sterke interaksjonen er dens ladningsuavhengighet. Kjernefysiske tiltrekningskrefter mellom protoner, mellom nøytroner og mellom et proton og et nøytron er i hovedsak de samme. Det følger at fra synspunktet om sterke interaksjoner, er et proton og et nøytron umulig å skille, og enkeltbegrepet nukleon, det vil si en kjernefysisk partikkel, brukes for dem.
Så vi har gjennomgått den grunnleggende informasjonen om de fire grunnleggende interaksjonene til naturen. De mikroskopiske og makroskopiske manifestasjonene av disse interaksjonene og bildet av fysiske fenomener der de spiller en viktig rolle er kort beskrevet.
RUSSLANDS UDDANNINGS- OG VITENSKAPSMINISTERIET
Federal State Budgetary Education Institution
høyere profesjonsutdanning
"St. Petersburg State Electrotechnical University "LETI" oppkalt etter V. I. Ulyanov (Lenin)"
(SPbGETU)
Fakultet for økonomi og ledelse
Institutt for fysikk
I disiplinen "Concepts of modern natural science"
om temaet "Svak interaksjon"
Krysset av:
Altmark Alexander Moiseevich
Utført:
student gr. 3603
Kolisetskaya Maria Vladimirovna
Saint Petersburg
1. Den svake interaksjonen er en av de fire grunnleggende interaksjonene
Studiens historie
Rolle i naturen
Den svake kraften er en av de fire grunnleggende kreftene
Den svake kraften, eller den svake kjernekraften, er en av de fire grunnleggende kreftene
Den svake interaksjonen er kortdistanse - den manifesterer seg ved avstander betydelig mindre enn størrelsen på atomkjernen
Vektorbosoner er bærere av den svake interaksjonen
For første gang ble svake interaksjoner observert under nedbrytningen av atomkjerner. Og som det viste seg, er disse forfallene assosiert med transformasjonen av et proton til et nøytron i kjernen og omvendt:
R? n + e+ + ?e, n ? p + e- + e,
hvor n er et nøytron, p er et proton, e- er et elektron, ??e er et elektron antinøytrino.
Elementærpartikler deles vanligvis inn i tre grupper:
) fotoner; denne gruppen består av bare en partikkel - et foton - et kvantum av elektromagnetisk stråling;
) leptoner (fra gresk "leptos" - lys), som bare deltar i elektromagnetiske og svake interaksjoner. Leptoner inkluderer elektronet og myonnøytrinoet, elektronet, myonet og det tunge leptonet som ble oppdaget i 1975 - t-leptonet, eller taonet, med en masse på omtrent 3487me, samt deres tilsvarende antipartikler. Navnet leptoner skyldes det faktum at massene til de første kjente leptonene var mindre enn massene til alle andre partikler. Leptoner inkluderer også den hemmelige nøytrinoen, hvis eksistens også nylig er blitt etablert;
) hadroner (fra det greske "adros" - store, sterke). Hadroner har sterke interaksjoner sammen med elektromagnetiske og svake. Av partiklene diskutert ovenfor inkluderer disse proton, nøytron, pioner og kaoner.
Egenskaper til det svake samspillet
Den svake interaksjonen har karakteristiske egenskaper:
Alle fundamentale fermioner deltar i svak interaksjon
Operasjon P endrer tegnet til enhver polar vektor
Operasjonen av romlig inversjon forvandler systemet til et speilsymmetrisk system. Speilsymmetri observeres i prosesser under påvirkning av sterke og elektromagnetiske interaksjoner. Speilsymmetri i disse prosessene betyr at i speilsymmetriske tilstander realiseres overganger med samme sannsynlighet.
G. ? Yang Zhenning, Li Zongdao mottok Nobelprisen i fysikk. For hans dybdestudier av de såkalte paritetslovene, som førte til viktige funn innen elementærpartikler.
I tillegg til romlig paritet, bevarer den svake interaksjonen heller ikke kombinert romladningsparitet, det vil si at den eneste kjente interaksjonen bryter prinsippet om CP-invarians
Ladningssymmetri betyr at hvis det er noen prosess som involverer partikler, så når de erstattes av antipartikler (ladningskonjugering), eksisterer prosessen også og skjer med samme sannsynlighet. Ladningssymmetri er fraværende i prosesser som involverer nøytrinoer og antinøytrinoer. I naturen eksisterer bare venstrehendte nøytrinoer og høyrehendte antinøytrinoer. Hvis hver av disse partiklene (for bestemthetens skyld, vil vi vurdere elektronet nøytrino?e og antineutrino e) blir utsatt for operasjonen av ladningskonjugering, vil de bli til ikke-eksisterende objekter med leptontall og heliciteter.
I svake interaksjoner brytes dermed P- og C-invariansen samtidig. Men hva om to påfølgende operasjoner utføres på en nøytrino (antineutrino)? P- og C-transformasjoner (rekkefølgen på operasjoner er ikke viktig), så får vi igjen nøytrinoer som finnes i naturen. Sekvensen av operasjoner og (eller i omvendt rekkefølge) kalles CP-transformasjon. Resultatet av CP-transformasjonen (kombinert inversjon) av ?e og e er som følger:
For nøytrinoer og antinøytrinoer er operasjonen som transformerer en partikkel til en antipartikkel ikke en ladningskonjugasjonsoperasjon, men en CP-transformasjon.
Studiens historie
Studiet av svake interaksjoner fortsatte i en lang periode.
I 1896 oppdaget Becquerel at uransalter sender ut penetrerende stråling (γ-forfall av thorium). Dette var begynnelsen på studiet av svake interaksjoner.
I 1930 la Pauli frem hypotesen om at under forfall, sammen med elektroner (e), sendes det ut lette nøytrale partikler? nøytrino (?). Samme år foreslo Fermi en kvantefeltteori om β-forfall. Forfallet til et nøytron (n) er en konsekvens av samspillet mellom to strømmer: hadronstrømmen konverterer et nøytron til et proton (p), den leptoniske strømmen produserer et elektron + nøytrinopar. I 1956 observerte Reines første gang reaksjonen til er? ne+ i eksperimenter nær en atomreaktor.
Lee og Yang forklarte paradokset i forfallet til K+ mesoner (? ~ ? mysterium)? forfall til 2 og 3 pioner. Det er assosiert med ikke-bevaring av romlig paritet. Speilsymmetri har blitt oppdaget i β-forfall av kjerner, forfall av myoner, pioner, K-mesoner og hyperoner.
I 1957 foreslo Gell-Mann, Feynman, Marshak og Sudarshan en universell teori om svak interaksjon basert på kvarkstrukturen til hadroner. Denne teorien, kalt V-A-teori, førte til beskrivelsen av den svake interaksjonen ved hjelp av Feynman-diagrammer. Samtidig ble fundamentalt nye fenomener oppdaget: brudd på CP-invarians og nøytrale strømmer.
På 1960-tallet av Sheldon Lee Glashow
I 1991-2001 ble det utført en studie av henfallene til Z0-bosoner ved LEP2-akseleratoren (CERN), som viste at det i naturen bare er tre generasjoner leptoner: ?e, ?? Og??.
Rolle i naturen
kjernefysisk interaksjon er svak
Den vanligste prosessen forårsaket av svak interaksjon er b-forfall av radioaktive atomkjerner. Radioaktivitetsfenomen<#"justify">Bibliografi
1. Novozhilov Yu.V. Introduksjon til teorien om elementærpartikler. M.: Nauka, 1972
Okun B. Svak interaksjon av elementærpartikler. M.: Fizmatgiz, 1963
Leseren er kjent med krefter av ulik karakter som manifesterer seg i interaksjoner mellom kropper. Men fundamentalt forskjellige typer interaksjon veldig lite. Bortsett fra tyngdekraften, som bare spiller en betydelig rolle i nærvær av enorme masser, er bare tre typer interaksjoner kjent: sterk, elektromagnetisk og svak.
Elektromagnetisk interaksjon alle vet. Takket være dem sender en ujevnt bevegelig elektrisk ladning (for eksempel et elektron i et atom) ut elektromagnetiske bølger (for eksempel synlig lys). Alle kjemiske prosesser er assosiert med denne klassen av interaksjoner, så vel som alle molekylære fenomener - overflatespenning, kapillaritet, adsorpsjon, fluiditet. Elektromagnetisk interaksjon, teorien som er briljant bekreftet av erfaring, er dypt relatert til elektrisk ladning elementært partikler.
Sterk interaksjon ble kjent først etter oppdagelsen av den indre strukturen til atomkjernen. I 1932 ble det oppdaget at den består av nukleoner, nøytroner og protoner. Og akkurat sterk interaksjon koble sammen nukleoner i kjernen - er ansvarlige for kjernekrefter, som, i motsetning til elektromagnetiske, er preget av et veldig kort handlingsområde (omtrent 10-13, dvs. en ti trilliondels centimeter) og høy intensitet. I tillegg, sterk interaksjon vises under kollisjoner partikler høye energier som involverer pioner og såkalte "rare" partikler.
Det er praktisk å estimere intensiteten av interaksjoner ved å bruke den såkalte gjennomsnittlige frie banen partikler i et eller annet stoff, dvs. langs den gjennomsnittlige veilengden, som partikkel kan passere gjennom dette stoffet til det oppstår en destruktiv eller sterkt avbøyende kollisjon. Det er klart at jo lengre den gjennomsnittlige frie veien er, jo mindre intens blir interaksjonen.
Hvis vi vurderer partikler svært høy energi, deretter kollisjoner forårsaket av sterk interaksjoner, er preget av den frie veien partikler, tilsvarende i størrelsesorden titalls centimeter i kobber eller jern.
Situasjonen er annerledes med svake interaksjoner. Som vi allerede har sagt, er den gjennomsnittlige frie banen til nøytrinoer i tett materie målt i astronomiske enheter. Dette indikerer en overraskende lav intensitet av svake interaksjoner.
Enhver prosess interaksjon elementært partikler preget av en viss tid som bestemmer dens gjennomsnittlige varighet. Prosesser forårsaket av svak interaksjoner, kalles ofte "sakte" fordi tiden for dem er relativt lang.
Leseren kan imidlertid bli overrasket over at et fenomen som oppstår på for eksempel 10-6 (en milliondels) sekund klassifiseres som sakte. Denne levetiden er typisk for for eksempel forfallet til en myon forårsaket av svak interaksjoner. Men alt læres ved sammenligning. I verden elementært partikler en slik periode er faktisk ganske lang. Den naturlige lengdeenheten i mikrokosmos er 10-13 centimeter - virkningsradiusen til atomkrefter. Og siden grunnskolen partikler høy energi har en hastighet nær lysets hastighet (ca. 1010 centimeter per sekund), da vil den "normale" tidsskalaen for dem være 10-23 sekunder.
Dette betyr at tiden på 10-6 sekunder for "borgerne" i mikroverdenen er mye lengre enn for deg og meg hele perioden med livets eksistens på jorden
Svak interaksjon
Sterk interaksjon
Sterk interaksjon er korttidsvirkende. Handlingsområdet er omtrent 10-13 cm.
Partikler som deltar i sterke interaksjoner kalles hadroner. I et vanlig stabilt stoff ved ikke for høy temperatur forårsaker sterke interaksjoner ingen prosesser. Dens rolle er å skape et sterkt bånd mellom nukleoner (protoner og nøytroner) i kjerner. Bindingsenergien er i gjennomsnitt omtrent 8 MeV per nukleon. Videre, under kollisjoner av kjerner eller nukleoner med tilstrekkelig høy energi (i størrelsesorden hundrevis av MeV), fører sterk interaksjon til en rekke kjernefysiske reaksjoner: kjernefysisk fisjon, transformasjon av noen kjerner til andre, etc.
Med utgangspunkt i energier fra kolliderende nukleoner i størrelsesorden flere hundre MeV, fører sterk interaksjon til produksjon av P-mesons. Ved enda høyere energier, K-mesoner og hyperoner, og mange meson- og baryonresonanser blir født (resonanser er kortvarige eksiterte tilstander av hadroner).
Samtidig viste det seg at ikke alle partikler opplever sterk interaksjon. Dermed opplever protoner og nøytroner det, men elektroner, nøytrinoer og fotoner er ikke underlagt det. Vanligvis deltar bare tunge partikler i sterke interaksjoner.
Den teoretiske forklaringen på karakteren av det sterke samspillet har vært vanskelig å utvikle. Et gjennombrudd dukket opp først på begynnelsen av 1960-tallet, da kvarkmodellen ble foreslått. I denne teorien betraktes nøytroner og protoner ikke som elementære partikler, men som sammensatte systemer bygget av kvarker
De sterke interaksjonskvantaene er åtte gluoner. Gluoner får navnet sitt fra det engelske ordet lim, fordi de er ansvarlige for innesperring av kvarker. Resten av gluoner er null. Samtidig har gluoner en farget ladning, på grunn av hvilken de er i stand til å samhandle med hverandre, som de sier, til selvinteraksjon, noe som fører til vanskeligheter med å beskrive den sterke interaksjonen matematisk på grunn av dens ikke-linearitet.
Dens handlingsområde er mindre enn 10-15 cm. Den svake interaksjonen er flere størrelsesordener svakere, ikke bare enn den sterke, men også den elektromagnetiske. Dessuten er det mye sterkere enn gravitasjonskraften i mikrokosmos.
Den første oppdagede og vanligste prosessen forårsaket av den svake interaksjonen er radioaktivt kjernefysisk b-nedbrytning.
Lagt ut på ref.rf
Denne typen radioaktivitet ble oppdaget i 1896 av A.A. Becquerelem. Under prosessen med radioaktivt elektron /b - -/ henfall, en av nøytronene / n/ atomkjernen blir til et proton / R/ med elektronemisjon / e-/ og elektron antineutrino //:
n® p + e-+
I prosessen med positronisk /b + -/ forfall skjer følgende overgang:
p® n + e++
I den første teorien om b-forfall, opprettet i 1934 av E. Fermi, for å forklare dette fenomenet var det nødvendig å introdusere hypotesen om eksistensen av en spesiell type kortdistansekrefter som forårsaker overgangen
n® p + e-+
Videre forskning viste at interaksjonen introdusert av Fermi har en universell karakter.
Lagt ut på ref.rf
Det forårsaker forråtnelse av alle ustabile partikler, hvis masser og utvalgsregler basert på kvantetall ikke tillater dem å forfalle på grunn av sterk eller elektromagnetisk interaksjon. Svak interaksjon er iboende i alle partikler unntatt fotoner. Den karakteristiske tiden for svake interaksjonsprosesser ved energier i størrelsesorden 100 MeV er 13-14 størrelsesordener lengre enn den karakteristiske tiden for sterk interaksjon.
De svake interaksjonskvantaene er tre bosoner - W + , W − , Z°- bosoner. Overskriften indikerer tegnet på den elektriske ladningen til disse kvantene. De svake interaksjonskvantaene har en betydelig masse, noe som fører til at den svake interaksjonen manifesterer seg på svært korte avstander.
Det må tas i betraktning at i dag er de svake og elektromagnetiske interaksjonene allerede kombinert til en enkelt teori. Det finnes en rekke teoretiske skjemaer som forsøker å skape en enhetlig teori om alle typer interaksjon. Imidlertid er disse ordningene ennå ikke utviklet nok til å bli testet eksperimentelt.
26. Strukturfysikk. Korpuskulær tilnærming til beskrivelse og forklaring av naturen. Reduksjonisme
Objektene til strukturfysikk er elementene i materiens struktur (f.eks. molekyler, atomer, elementærpartikler) og en mer kompleks formasjon av dem. Dette:
1) plasma - det er en gass der en betydelig del av molekylene eller atomene er ionisert;
2) krystaller- dette er faste stoffer der atomer eller molekyler er ordnet på en ryddig måte og danner en periodisk repeterende indre struktur;
3) væsker- dette er den samlede tilstanden til et stoff, som kombinerer egenskapene til en fast tilstand (bevaring av volum, en viss strekkstyrke) og en gassform (formvariabilitet).
Væsken er preget av:
a) kort rekkevidde i arrangementet av partikler (molekyler, atomer);
b) en liten forskjell i den kinetiske energien til termisk bevegelse og deres potensielle interaksjonsenergi.
4) stjerner,ᴛ.ᴇ. glødende gass (plasma) kuler.
Når du identifiserer strukturelle ligninger for et stoff, brukes følgende kriterier:
Romlige dimensjoner: partikler på samme nivå har romlige dimensjoner av samme rekkefølge (for eksempel har alle atomer dimensjoner i størrelsesorden 10 -8 cm);
Prosesstid: på ett nivå er det omtrent samme størrelsesorden;
Objekter på samme nivå består av de samme elementene (for eksempel består alle kjerner av protoner og nøytroner);
Lovene som forklarer prosesser på ett nivå er kvalitativt forskjellige fra lovene som forklarer prosesser på et annet nivå;
Objekter på forskjellige nivåer er forskjellige i sine grunnleggende egenskaper (for eksempel er alle atomer elektrisk nøytrale, og alle kjerner er positivt elektrisk ladet).
Etter hvert som nye nivåer av struktur og materietilstander blir oppdaget, utvides objektdomenet til strukturell fysikk.
Det må tas i betraktning at ved løsning av spesifikke fysiske problemer henger problemstillinger knyttet til å belyse struktur, samhandling og bevegelse tett sammen.
I roten til strukturfysikk er en korpuskulær tilnærming til å beskrive og forklare naturen.
For første gang oppsto konseptet om atomet som den siste og udelelige partikkelen i kroppen i antikkens Hellas innenfor rammen av den naturfilosofiske læren til skolen til Leucippus-Demokrit. I følge dette synet er det bare atomer i verden som beveger seg i tomrommet. De gamle atomistene anså at materiens kontinuitet var tydelig. Ulike kombinasjoner av atomer danner forskjellige synlige legemer. Denne hypotesen var ikke basert på eksperimentelle data. Hun var bare en strålende gjetning. Men det avgjorde naturvitenskapens videre utvikling i mange århundrer fremover.
Hypotesen om atomer som udelelige partikler av materie ble gjenopplivet i naturvitenskapen, spesielt innen fysikk og kjemi, for å forklare noen lover som ble etablert eksperimentelt (for eksempel Boyle-Mariotte- og Gay-Lussac-lovene for ideelle gasser, termisk utvidelse av kropper osv.). Faktisk sier Boyle-Marriott-loven at volumet til en gass er omvendt proporsjonalt med trykket, men den forklarer ikke hvorfor det er slik. På samme måte, når en kropp varmes opp, øker dens størrelse. Men hva er årsaken til denne utvidelsen? I den kinetiske teorien om materie forklares disse og andre eksperimentelt etablerte mønstre ved hjelp av atomer og molekyler.
Faktisk er den direkte observerte og målbare reduksjonen i gasstrykk med en økning i volumet i den kinetiske teorien om materie forklart som en økning i den frie banen til dets atomer og molekyler. Det er som et resultat av dette at volumet okkupert av gassen øker. Tilsvarende forklares utvidelsen av legemer når de varmes opp i den kinetiske teorien om materie av en økning i gjennomsnittshastigheten til bevegelige molekyler.
Forklaringer der de prøver å redusere egenskapene til komplekse stoffer eller kropper til egenskapene til deres enklere elementer eller komponenter kalles reduksjonisme. Denne analysemetoden gjorde det mulig å løse en stor klasse av problemer innen naturvitenskap.
Helt til slutten av 1800-tallet. Det ble antatt at et atom er den minste, udelelige, strukturløse partikkelen av materie. Samtidig viste funnene av elektronet og radioaktivitet at det ikke er slik. Rutherfords planetmodell av atomet dukker opp. Da blir hun erstattet av modellen N. Bora. Men som før er fysikernes tanke rettet mot å redusere hele utvalget av komplekse egenskaper til kropper og naturfenomener til de enkle egenskapene til et lite antall primærpartikler. Deretter ble disse partiklene kalt elementært. Nå overstiger det totale antallet 350. Av denne grunn er det usannsynlig at alle slike partikler kan kalles virkelig elementære, uten å inneholde andre elementer. Denne troen styrkes av hypotesen om eksistensen av kvarker. I følge den består kjente elementærpartikler av partikler med fraksjonelle elektriske ladninger. De kalles kvarker.
I henhold til typen interaksjon som elementærpartikler deltar i, er alle, bortsett fra fotonet, klassifisert i to grupper:
1) hadroner. Det er verdt å si at de er preget av tilstedeværelsen av sterk interaksjon. Dessuten kan de også delta i svake og elektromagnetiske interaksjoner;
2) leptoner. Οʜᴎ bare delta i elektromagnetiske og svake interaksjoner;
I henhold til deres levetid skiller de seg ut:
a) stabile elementærpartikler. Disse er elektronet, fotonet, protonet og nøytrinoet;
b) kvasi-stabil. Dette er partikler som forfaller på grunn av elektromagnetiske og svake interaksjoner. For eksempel til + ® m + +;
c) ustabil. Οʜᴎ forfall på grunn av sterk interaksjon, for eksempel, nøytron.
De elektriske ladningene til elementærpartikler er multipler av den minste ladningen som er iboende i elektronet. Samtidig er elementærpartikler delt inn i partikkel-antipartikkelpar, for eksempel e - - e + (de har alle de samme egenskapene, og tegnene på den elektriske ladningen er motsatte). Elektrisk nøytrale partikler har også antipartikler, f.eks. P -,- .
Så det atomistiske konseptet er basert på ideen om materiens diskrete struktur. Den atomære tilnærmingen forklarer egenskapene til en fysisk gjenstand basert på egenskapene til dens minste partikler, som på et visst stadium av erkjennelse anses som udelelige. Historisk sett ble slike partikler først anerkjent som atomer, deretter som elementærpartikler, og nå som kvarker. Vanskeligheten med denne tilnærmingen er den fullstendige reduksjonen av komplekset til det enkle, som ikke tar hensyn til de kvalitative forskjellene mellom dem.
Fram til slutten av det første kvartalet av det tjuende århundre ble ideen om enheten i strukturen til makro- og mikrokosmos forstått mekanistisk, som den fullstendige identiteten til lover og som den fullstendige likheten mellom strukturen til begge.
Mikropartikler ble tolket som miniatyrkopier av makrokropper, ᴛ.ᴇ. som ekstremt små kuler (korpuskler) som beveger seg i presise baner som er fullstendig lik planetariske baner, med den eneste forskjellen at himmellegemer er bundet av gravitasjonskreftene, og mikropartikler av kreftene til elektrisk interaksjon.
Etter oppdagelsen av elektronet (Thomson, 1897), etableringen av kvanteteorien (Planck, 1900), og introduksjonen av begrepet foton (Einstein, 1905), fikk atomteorien en ny karakter.
Lagt ut på ref.rf
Ideen om diskretitet ble utvidet til feltet av elektriske og lysfenomener, til energibegrepet (på 1800-tallet fungerte læren om energi som ideens sfære om kontinuerlige mengder og funksjoner av staten). Det viktigste trekk ved moderne atomlære er handlingens atomisme. Det er på grunn av det faktum at bevegelsen, egenskapene og tilstandene til ulike mikroobjekter er mottagelig for kvantisering, ᴛ.ᴇ. uttrykkes i form av diskrete mengder og forhold. Ny atomisme anerkjenner den relative stabiliteten til hver diskrete type materie, dens kvalitative sikkerhet, dens relative udelelighet og intransformerbarhet innenfor de kjente grensene for naturfenomener. For eksempel, å være delelig på noen fysiske måter, er et atom udelelig kjemisk, ᴛ.ᴇ. i kjemiske prosesser oppfører den seg som noe helt, udelelig. Et molekyl, som er kjemisk delelig i atomer, i termisk bevegelse (opptil visse grenser) oppfører seg som en helhet, udelelig, etc.
Spesielt viktig i begrepet ny atomisme er anerkjennelsen av interkonvertibiliteten til alle diskrete typer materie.
Ulike nivåer av den fysiske virkelighetens strukturelle organisering (kvarker, mikropartikler, kjerner, atomer, molekyler, makrokropper, megasystemer) har sine egne spesifikke fysiske lover. Men uansett hvor forskjellige fenomenene som studeres er fra fenomenene som studeres av klassisk fysikk, må alle eksperimentelle data beskrives ved hjelp av klassiske konsepter. Det er en grunnleggende forskjell mellom beskrivelsen av oppførselen til mikroobjektet som studeres og beskrivelsen av handlingen til måleinstrumenter. Dette er resultatet av det faktum at handlingen til måleinstrumenter i prinsippet skal beskrives på språket i klassisk fysikk, men objektet som studeres kan ikke beskrives med dette språket.
Den korpuskulære tilnærmingen til å forklare fysiske fenomener og prosesser har alltid vært kombinert med kontinuumstilnærmingen siden fremveksten av interaksjonsfysikk. Det kom til uttrykk i konseptet om feltet og avsløringen av dets rolle i fysisk interaksjon. Representasjonen av feltet som en strøm av en viss type partikler (kvantefeltteori) og tilskrivningen av bølgeegenskaper til ethvert fysisk objekt (Louis de Broglies hypotese) samlet disse to tilnærmingene til analyse av fysiske fenomener.
Svak interaksjon - konsept og typer. Klassifisering og funksjoner i kategorien "Svak interaksjon" 2017, 2018.
I 1896 oppdaget den franske forskeren Henri Becquerel radioaktivitet i uran. Dette var det første eksperimentelle signalet om tidligere ukjente naturkrefter - svakt samspill. Vi vet nå at den svake kraften ligger bak mange kjente fenomener – for eksempel er den involvert i noen termonukleære reaksjoner som støtter strålingen fra Solen og andre stjerner.
Navnet "svak" kom til denne interaksjonen på grunn av en misforståelse - for et proton er det for eksempel 1033 ganger sterkere enn gravitasjonsinteraksjonen (se Gravity, This Unity of Nature). Dette er snarere en destruktiv interaksjon, den eneste naturkraften som ikke holder stoffet sammen, men bare ødelegger det. Man kan også kalle det "prinsippløst", siden det i ødeleggelse ikke tar hensyn til prinsippene om romlig paritet og tidsmessig reversibilitet, som observeres av andre krefter.
De grunnleggende egenskapene til det svake samspillet ble kjent tilbake på 1930-tallet, hovedsakelig takket være arbeidet til den italienske fysikeren E. Fermi. Det viste seg at, i motsetning til gravitasjons- og elektriske krefter, har svake krefter et svært kort virkeområde. I disse årene så det ut til at det ikke var noen handlingsradius i det hele tatt - interaksjon fant sted på et punkt i rommet, og dessuten umiddelbart. Denne interaksjonen gjør praktisk talt (i kort tid) hvert proton i kjernen til et nøytron, et positron til et positron og et nøytrino, og hvert nøytron til et proton, elektron og antinøytrino. I stabile kjerner (se Atomkjernen) forblir disse transformasjonene virtuelle, som den virtuelle dannelsen av elektron-positron-par eller proton-antiproton-par i et vakuum.
Hvis forskjellen i massene av kjerner som avviker med en ladd er stor nok, blir disse virtuelle transformasjonene reelle, og kjernen endrer ladningen med 1, og sender ut et elektron og et antinøytrino (elektronforfall) eller et positron og et nøytrino ( positronforfall). Nøytroner har en masse som overstiger med omtrent 1 MeV summen av massene til et proton og et elektron. Derfor forfaller et fritt nøytron til et proton, et elektron og en antinøytrino, og frigjør en energi på omtrent 1 MeV. Levetiden til et fritt nøytron er omtrent 10 minutter, men i en bundet tilstand, for eksempel i deuteron, som består av et nøytron og et proton, lever disse partiklene på ubestemt tid.
En lignende hendelse skjer med myonen (se Peptons) - den forfaller til et elektron, nøytrino og antinøytrino. Før den forfaller, lever en myon omtrent c - mye mindre enn et nøytron. Fermis teori forklarte dette med forskjellen i massene til de involverte partiklene. Jo mer energi som frigjøres under forfallet, jo raskere går det. Frigjøringen av energi under nedbrytning er omtrent 100 MeV, omtrent 100 ganger større enn under nedbrytning av et nøytron. Levetiden til en partikkel er omvendt proporsjonal med denne energiens femte potens.
Som det viste seg de siste tiårene, er det svake samspillet ikke-lokalt, det vil si at det ikke skjer umiddelbart og ikke på et tidspunkt. I følge moderne teori overføres ikke den svake interaksjonen øyeblikkelig, men et virtuelt elektron-antineutrino-par blir født s etter at myonen blir til en nøytrino, og dette skjer i en avstand på cm Ikke en eneste linjal, ikke et eneste mikroskop måler selvfølgelig en så liten avstand, akkurat som ingen stoppeklokke kan måle et så lite tidsintervall. Som nesten alltid er tilfelle, må vi i moderne fysikk nøye oss med indirekte data. Fysikere bygger ulike hypoteser om mekanismen i prosessen og tester alle slags konsekvenser av disse hypotesene. De hypotesene som motsier minst ett pålitelig eksperiment blir forkastet, og nye eksperimenter blir utført for å teste de resterende. Denne prosessen, når det gjelder den svake interaksjonen, fortsatte i omtrent 40 år, inntil fysikere ble overbevist om at den svake interaksjonen ble båret av supermassive partikler – 100 ganger tyngre enn protonet. Disse partiklene har spinn 1 og kalles vektorbosoner (oppdaget i 1983 ved CERN, Sveits - Frankrike).
Det er to ladede vektorbosoner og en nøytral (ikonet øverst indikerer som vanlig ladningen i protonenheter). Et ladet vektorboson "virker" i henfallene til nøytronet og myonet. Forløpet av myonforfall er vist i fig. (over, til høyre). Slike tegninger kalles Feynman-diagrammer, de illustrerer ikke bare prosessen, men hjelper også til å beregne den. Dette er en slags stenografi for formelen for sannsynligheten for en reaksjon; den brukes her kun for illustrasjonsformål.
Myonet blir til et nøytrino, og sender ut et -boson, som forfaller til et elektron og en antinøytrino. Den frigjorte energien er ikke nok for den virkelige fødselen av et -boson, så den fødes virtuelt, dvs. i svært kort tid. I dette tilfellet er det s. I løpet av denne tiden har ikke feltet som tilsvarer -bosonet tid til å danne en bølge, eller på annen måte, en ekte partikkel (se Felter og partikler). Det dannes en feltpropp på cm i størrelse, og etter c blir det født et elektron og en antinøytrino.
For forfallet av et nøytron ville det være mulig å tegne det samme diagrammet, men her ville det allerede villedet oss. Faktum er at størrelsen på et nøytron er cm, som er 1000 ganger større enn virkningsradiusen til svake krefter. Derfor virker disse kreftene inne i nøytronet, der kvarkene befinner seg. En av de tre nøytronkvarkene sender ut et -boson, og transformeres til en annen kvark. Ladningene til kvarker i et nøytron er: -1/3, - 1/3, og derfor går en av de to kvarkene med en negativ ladning på -1/3 inn i en kvark med positiv ladning. Resultatet blir kvarker med ladninger - 1/3, 2/3, 2/3, som til sammen utgjør et proton. Reaksjonsproduktene - elektron og antinøytrino - flyr fritt ut av protonet. Men det er en kvark som sendte ut et -boson. fikk tilbakeslaget og begynte å bevege seg i motsatt retning. Hvorfor flyr han ikke ut?
Det holdes sammen av et sterkt samspill. Denne interaksjonen vil bære kvarken sammen med dens to uatskillelige følgesvenner, noe som resulterer i et bevegelig proton. I følge et lignende opplegg oppstår svake forfall (assosiert med svak interaksjon) av de gjenværende hadronene. De koker alle ned til utslipp av et vektorboson fra en av kvarkene, overgangen av dette vektorbosonet til leptoner (, og -partikler) og videre ekspansjon av reaksjonsproduktene.
Noen ganger oppstår imidlertid også hadroniske forfall: et vektorboson kan forfalle til et kvark-antikvark-par, som vil bli til mesoner.
Så et stort antall forskjellige reaksjoner kommer ned til samspillet mellom kvarker og leptoner med vektorbosoner. Denne interaksjonen er universell, det vil si at den er den samme for kvarker og leptoner. Universaliteten til den svake interaksjonen, i motsetning til universaliteten til gravitasjons- eller elektromagnetisk interaksjon, har ennå ikke fått en utfyllende forklaring. I moderne teorier kombineres det svake samspillet med det elektromagnetiske samspillet (se Enhet mellom naturkreftene).
Om symmetribrudd av den svake interaksjonen, se Paritet, nøytrinoer. Artikkelen The Unity of the Forces of Nature snakker om plasseringen av svake krefter i bildet av mikroverdenen