Tương tác yếu
Tương tác này là tương tác yếu nhất trong số các tương tác cơ bản được quan sát thực nghiệm trong sự phân rã của các hạt cơ bản, trong đó các hiệu ứng lượng tử có ý nghĩa cơ bản. Chúng ta hãy nhớ lại rằng những biểu hiện lượng tử của tương tác hấp dẫn chưa bao giờ được quan sát thấy. Tương tác yếu được phân biệt bằng quy tắc sau: nếu một hạt cơ bản gọi là neutrino (hoặc phản neutrino) tham gia vào quá trình tương tác, thì tương tác này là yếu.
Tương tác yếu mạnh hơn nhiều so với tương tác hấp dẫn.
Tương tác yếu, không giống như tương tác hấp dẫn, có phạm vi ngắn. Điều này có nghĩa là lực yếu giữa các hạt chỉ phát huy tác dụng nếu các hạt đủ gần nhau. Nếu khoảng cách giữa các hạt vượt quá một giá trị nhất định gọi là bán kính tương tác đặc trưng thì tương tác yếu sẽ không biểu hiện. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng bán kính đặc trưng của tương tác yếu là khoảng 10-15 cm, nghĩa là tương tác yếu tập trung ở những khoảng cách nhỏ hơn kích thước của hạt nhân nguyên tử.
Tại sao chúng ta có thể coi tương tác yếu là một loại tương tác cơ bản độc lập? Đáp án đơn giản. Người ta đã chứng minh rằng có những quá trình biến đổi các hạt cơ bản không bị giảm xuống thành các tương tác hấp dẫn, điện từ và mạnh. Một ví dụ điển hình cho thấy có ba tương tác khác nhau về chất trong các hiện tượng hạt nhân xuất phát từ tính phóng xạ. Các thí nghiệm cho thấy sự hiện diện của ba loại phóng xạ khác nhau: phân rã phóng xạ a-, b- và g. Trong trường hợp này, phân rã a là do tương tác mạnh, phân rã g là do tương tác điện từ. Phân rã b còn lại không thể giải thích được bằng tương tác điện từ và tương tác mạnh, và chúng ta buộc phải chấp nhận rằng có một tương tác cơ bản khác, gọi là tương tác yếu. Trong trường hợp tổng quát, sự cần thiết phải đưa ra tương tác yếu là do thực tế là các quá trình xảy ra trong tự nhiên trong đó các định luật bảo toàn và phân rã điện từ bị cấm.
Mặc dù tương tác yếu tập trung đáng kể trong hạt nhân nhưng nó có những biểu hiện vĩ mô nhất định. Như chúng tôi đã lưu ý, nó có liên quan đến quá trình phóng xạ b. Ngoài ra, tương tác yếu đóng vai trò quan trọng trong cái gọi là phản ứng nhiệt hạch chịu trách nhiệm cho cơ chế giải phóng năng lượng ở các ngôi sao.
Tính chất đáng ngạc nhiên nhất của tương tác yếu là sự tồn tại của các quá trình trong đó sự bất đối xứng gương được biểu hiện. Thoạt nhìn, có vẻ rõ ràng rằng sự khác biệt giữa các khái niệm trái và phải là tùy ý. Thật vậy, các quá trình tương tác hấp dẫn, điện từ và mạnh là bất biến đối với sự đảo ngược không gian, vốn thực hiện sự phản xạ gương. Người ta nói rằng trong các quy trình như vậy, tính chẵn lẻ không gian P được bảo toàn. Tuy nhiên, người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng các quy trình yếu có thể tiếp tục không bảo toàn tính chẵn lẻ không gian và do đó, dường như cảm nhận được sự khác biệt giữa bên trái và bên phải. Hiện nay, có bằng chứng thực nghiệm chắc chắn rằng tính không bảo toàn chẵn lẻ trong tương tác yếu có tính chất phổ quát; nó biểu hiện không chỉ ở sự phân rã của các hạt cơ bản mà còn ở các hiện tượng hạt nhân và thậm chí cả nguyên tử. Cần thừa nhận rằng sự bất đối xứng của gương là một đặc tính của Tự nhiên ở cấp độ cơ bản nhất.
Mọi vật tích điện, mọi hạt sơ cấp tích điện đều tham gia vào tương tác điện từ. Theo nghĩa này, nó khá phổ quát. Lý thuyết cổ điển về tương tác điện từ là điện động lực học Maxwell. Điện tích e được lấy làm hằng số ghép.
Nếu chúng ta xét hai điện tích điểm q1 và q2 đứng yên thì tương tác điện từ của chúng sẽ giảm xuống một lực tĩnh điện đã biết. Điều này có nghĩa là tương tác có tầm xa và phân rã chậm khi khoảng cách giữa các điện tích tăng lên. Một hạt tích điện phát ra một photon, làm cho trạng thái chuyển động của nó thay đổi. Một hạt khác hấp thụ photon này và cũng làm thay đổi trạng thái chuyển động của nó. Kết quả là các hạt dường như cảm nhận được sự hiện diện của nhau. Người ta biết rằng điện tích là một đại lượng có chiều. Thật thuận tiện để giới thiệu hằng số ghép không thứ nguyên của tương tác điện từ. Để làm điều này, bạn cần sử dụng các hằng số cơ bản và c. Kết quả là chúng ta đi đến hằng số ghép không thứ nguyên sau đây, được gọi là hằng số cấu trúc tinh tế trong vật lý nguyên tử
Dễ dàng nhận thấy hằng số này vượt xa đáng kể các hằng số tương tác hấp dẫn và tương tác yếu.
Theo quan điểm hiện đại, tương tác điện từ và tương tác yếu thể hiện các khía cạnh khác nhau của tương tác điện yếu. Một lý thuyết thống nhất về tương tác điện yếu đã được tạo ra - lý thuyết Weinberg-Salam-Glashow, lý thuyết này giải thích tất cả các khía cạnh của tương tác điện từ và tương tác yếu từ một vị trí thống nhất. Có thể hiểu ở mức độ định tính sự phân chia tương tác kết hợp thành các tương tác riêng biệt, dường như độc lập xảy ra như thế nào không?
Chỉ cần năng lượng đặc trưng đủ nhỏ thì tương tác điện từ và tương tác yếu sẽ tách biệt và không ảnh hưởng lẫn nhau. Khi năng lượng tăng lên, ảnh hưởng lẫn nhau của chúng bắt đầu và ở mức năng lượng đủ cao, các tương tác này hợp nhất thành một tương tác điện yếu duy nhất. Năng lượng thống nhất đặc trưng được ước tính theo thứ tự độ lớn là 102 GeV (GeV là viết tắt của gigaelectron-volt, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). Để so sánh, chúng ta lưu ý rằng năng lượng đặc trưng của electron ở trạng thái cơ bản của nguyên tử hydro là khoảng 10-8 GeV, năng lượng liên kết đặc trưng của hạt nhân nguyên tử là khoảng 10-2 GeV và năng lượng liên kết đặc trưng của chất rắn. khoảng 10-10 GeV. Như vậy, năng lượng đặc trưng của sự kết hợp giữa tương tác điện từ và tương tác yếu là rất lớn so với các năng lượng đặc trưng trong vật lý nguyên tử và vật lý hạt nhân. Vì lý do này, tương tác điện từ và tương tác yếu không thể hiện bản chất đơn lẻ của chúng trong các hiện tượng vật lý thông thường.
Tương tác mạnh
Sự tương tác mạnh mẽ chịu trách nhiệm cho sự ổn định của hạt nhân nguyên tử. Vì hạt nhân nguyên tử của hầu hết các nguyên tố hóa học đều ổn định nên rõ ràng là sự tương tác giữ cho chúng không bị phân hủy phải khá mạnh. Người ta biết rằng hạt nhân bao gồm các proton và neutron. Để ngăn các proton tích điện dương tán xạ theo các hướng khác nhau, cần phải có lực hút giữa chúng vượt quá lực đẩy tĩnh điện. Chính sự tương tác mạnh mẽ là nguyên nhân tạo ra các lực hấp dẫn này.
Một đặc điểm đặc trưng của tương tác mạnh là tính độc lập điện tích của nó. Lực hút hạt nhân giữa các proton, giữa neutron và giữa proton và neutron về cơ bản là giống nhau. Theo quan điểm của tương tác mạnh, proton và neutron không thể phân biệt được và thuật ngữ nucleon, tức là hạt hạt nhân, được sử dụng cho chúng.
Vì vậy, chúng tôi đã xem xét thông tin cơ bản liên quan đến bốn tương tác cơ bản của Tự nhiên. Các biểu hiện vi mô và vĩ mô của các tương tác này và bức tranh về các hiện tượng vật lý trong đó chúng đóng vai trò quan trọng được mô tả ngắn gọn.
BỘ GIÁO DỤC VÀ KHOA HỌC NGA
Cơ quan giáo dục ngân sách nhà nước liên bang
giáo dục chuyên nghiệp cao hơn
"Đại học Kỹ thuật Điện Quốc gia St. Petersburg "LETI" được đặt theo tên của V. I. Ulyanov (Lenin)"
(SPbGETU)
Khoa Kinh tế và Quản lý
Khoa Vật lý
Trong môn học “Các khái niệm của khoa học tự nhiên hiện đại”
về chủ đề "Tương tác yếu"
Đã kiểm tra:
Altmark Alexander Moiseevich
Thực hiện:
sinh viên gr. 3603
Kolisetskaya Maria Vladimirovna
Saint Petersburg
1. Tương tác yếu là một trong bốn tương tác cơ bản
Lịch sử nghiên cứu
Vai trò trong tự nhiên
Lực yếu là một trong bốn lực cơ bản
Lực yếu hay lực hạt nhân yếu là một trong bốn lực cơ bản
Tương tác yếu có phạm vi ngắn - nó biểu hiện ở khoảng cách nhỏ hơn đáng kể so với kích thước của hạt nhân nguyên tử
Boson vectơ là chất mang tương tác yếu
Lần đầu tiên, người ta quan sát thấy tương tác yếu trong quá trình phân hủy hạt nhân nguyên tử. Và hóa ra, những phân rã này có liên quan đến sự biến đổi proton thành neutron trong hạt nhân và ngược lại:
R? n + e+ + ?e, n ? p + e- + e,
trong đó n là neutron, p là proton, e- là electron, ??e là phản neutrino electron.
Các hạt cơ bản thường được chia thành ba nhóm:
) photon; nhóm này chỉ gồm một hạt - photon - lượng tử bức xạ điện từ;
) lepton (từ tiếng Hy Lạp “leptos” - ánh sáng), chỉ tham gia vào các tương tác điện từ và tương tác yếu. Lepton bao gồm electron và neutrino muon, electron, muon và lepton nặng được phát hiện năm 1975 - t-lepton, hay taon, với khối lượng xấp xỉ 3487me, cũng như các phản hạt tương ứng của chúng. Tên gọi lepton là do khối lượng của các lepton đầu tiên được biết đến nhỏ hơn khối lượng của tất cả các hạt khác. Lepton cũng bao gồm neutrino bí mật, sự tồn tại của nó cũng vừa được xác nhận gần đây;
) hadron (từ tiếng Hy Lạp “adros” - lớn, mạnh). Hadron có tương tác mạnh cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu. Trong số các hạt được thảo luận ở trên, chúng bao gồm proton, neutron, pion và kaon.
Tính chất của tương tác yếu
Tương tác yếu có những tính chất đặc biệt:
Tất cả các fermion cơ bản đều tham gia vào tương tác yếu
Phép toán P đổi dấu của bất kỳ vectơ cực nào
Hoạt động đảo ngược không gian biến hệ thống thành hệ thống đối xứng gương. Đối xứng gương được quan sát thấy trong các quá trình dưới tác động của tương tác mạnh và điện từ. Đối xứng gương trong các quá trình này có nghĩa là ở trạng thái đối xứng gương, quá trình chuyển đổi được thực hiện với cùng xác suất.
G. ? Yang Zhenning, Li Zongdao nhận giải Nobel Vật lý. Vì những nghiên cứu chuyên sâu của ông về cái gọi là định luật chẵn lẻ, dẫn đến những khám phá quan trọng trong lĩnh vực hạt cơ bản.
Ngoài tính chẵn lẻ về không gian, tương tác yếu cũng không bảo toàn tính chẵn lẻ của điện tích không gian kết hợp, nghĩa là tương tác duy nhất được biết là vi phạm nguyên tắc bất biến CP
Đối xứng điện tích có nghĩa là nếu có bất kỳ quá trình nào liên quan đến các hạt thì khi chúng được thay thế bằng phản hạt (liên hợp điện tích) thì quá trình đó cũng tồn tại và xảy ra với cùng xác suất. Sự đối xứng điện tích không có trong các quá trình liên quan đến neutrino và phản neutrino. Trong tự nhiên, chỉ tồn tại neutrino thuận tay trái và phản neutrino thuận tay phải. Nếu mỗi hạt này (để xác định, chúng ta sẽ xem xét neutrino electron và phản neutrino e) chịu tác động của liên hợp điện tích, thì chúng sẽ biến thành những vật thể không tồn tại với số lượng lepton và độ xoắn.
Do đó, trong các tương tác yếu, tính bất biến P- và C bị vi phạm đồng thời. Tuy nhiên, điều gì sẽ xảy ra nếu hai thao tác liên tiếp được thực hiện trên một neutrino (phản neutrino)? Các phép biến đổi P- và C (thứ tự thực hiện không quan trọng), thì ta lại thu được neutrino tồn tại trong tự nhiên. Trình tự các thao tác và (hoặc theo thứ tự ngược lại) được gọi là phép biến đổi CP. Kết quả của phép biến đổi CP (đảo ngược kết hợp) của ?e và e như sau:
Do đó, đối với neutrino và phản neutrino, hoạt động biến hạt thành phản hạt không phải là hoạt động liên hợp điện tích mà là biến đổi CP.
Lịch sử nghiên cứu
Việc nghiên cứu về tương tác yếu tiếp tục trong một thời gian dài.
Năm 1896, Becquerel phát hiện ra rằng muối uranium phát ra bức xạ xuyên thấu (γ phân rã thorium). Đây là sự khởi đầu của nghiên cứu về tương tác yếu.
Năm 1930, Pauli đưa ra giả thuyết rằng trong quá trình phân rã, cùng với các electron (e), các hạt trung tính nhẹ được phát ra? neutrino (?). Cùng năm đó, Fermi đề xuất lý thuyết trường lượng tử về phân rã β. Sự phân rã của neutron (n) là hệ quả của sự tương tác giữa hai dòng điện: dòng hadron chuyển neutron thành proton (p), dòng leptonic tạo ra cặp electron + neutrino. Năm 1956, Reines lần đầu tiên quan sát thấy phản ứng của er? ne+ trong các thí nghiệm gần lò phản ứng hạt nhân.
Lee và Yang giải thích nghịch lý về sự phân rã của meson K+ (? ~ ? bí ẩn)? phân rã thành 2 và 3 pion. Nó gắn liền với việc không bảo toàn tính chẵn lẻ về không gian. Sự bất đối xứng gương đã được phát hiện trong sự phân rã β của hạt nhân, sự phân rã của muon, pion, meson K và hyperon.
Năm 1957, Gell-Mann, Feynman, Marshak và Sudarshan đề xuất một lý thuyết phổ quát về tương tác yếu dựa trên cấu trúc quark của hadron. Lý thuyết này, được gọi là lý thuyết V-A, dẫn đến việc mô tả tương tác yếu bằng sơ đồ Feynman. Đồng thời, về cơ bản, các hiện tượng mới đã được phát hiện: vi phạm tính bất biến CP và dòng điện trung tính.
Vào những năm 1960 của Sheldon Lee Glashow
Năm 1991-2001, một nghiên cứu về sự phân rã của boson Z0 được thực hiện tại máy gia tốc LEP2 (CERN), cho thấy trong tự nhiên chỉ có ba thế hệ lepton: ?e, ?? Và??.
Vai trò trong tự nhiên
tương tác hạt nhân yếu
Quá trình phổ biến nhất gây ra bởi tương tác yếu là sự phân rã b của hạt nhân nguyên tử phóng xạ. Hiện tượng phóng xạ<#"justify">Thư mục
1. Novozhilov Yu.V. Giới thiệu lý thuyết về hạt cơ bản. M.: Nauka, 1972
Okun B. Tương tác yếu của các hạt cơ bản. M.: Fizmatgiz, 1963
Người đọc đã quen thuộc với các lực có bản chất khác nhau biểu hiện trong tương tác giữa các cơ thể. Nhưng về cơ bản các loại khác nhau tương tác rất ít. Ngoài lực hấp dẫn, chỉ đóng vai trò quan trọng khi có khối lượng khổng lồ, người ta chỉ biết đến ba loại tương tác: mạnh, điện từ và yếu đuối.
Điện từ tương tác mọi người biết. Nhờ chúng, một điện tích chuyển động không đều (chẳng hạn như một electron trong nguyên tử) sẽ phát ra sóng điện từ (ví dụ: ánh sáng khả kiến). Tất cả các quá trình hóa học đều liên quan đến loại tương tác này, cũng như tất cả các hiện tượng phân tử - sức căng bề mặt, mao dẫn, sự hấp phụ, tính lưu động. Điện từ tương tác, lý thuyết được kinh nghiệm xác nhận một cách xuất sắc, có liên quan sâu sắc đến điện tích tiểu học vật rất nhỏ.
Mạnh tương tác chỉ được biết đến sau khi phát hiện ra cấu trúc bên trong của hạt nhân nguyên tử. Năm 1932 người ta phát hiện ra rằng nó bao gồm các nucleon, neutron và proton. Và chính xác mạnh tương tác kết nối các nucleon trong hạt nhân - chịu trách nhiệm tạo ra lực hạt nhân, không giống như lực điện từ, được đặc trưng bởi phạm vi tác dụng rất ngắn (khoảng 10-13, tức là một phần mười nghìn tỷ centimet) và cường độ cao. Bên cạnh đó, mạnh tương tác xuất hiện khi va chạm vật rất nhỏ năng lượng cao liên quan đến hoa mẫu đơn và cái gọi là "lạ" vật rất nhỏ.
Thật thuận tiện khi ước tính cường độ tương tác bằng cách sử dụng cái gọi là đường dẫn tự do trung bình vật rất nhỏ trong một số chất, tức là dọc theo chiều dài đường đi trung bình, mà hạt có thể đi qua chất này cho đến khi xảy ra va chạm phá hủy hoặc lệch hướng mạnh. Rõ ràng là đường đi tự do trung bình càng dài thì tương tác càng ít mãnh liệt.
Nếu chúng ta xem xét vật rất nhỏ năng lượng rất cao thì va chạm gây ra bởi lực mạnh tương tác, được đặc trưng bởi đường đi tự do vật rất nhỏ, tương ứng theo thứ tự độ lớn đến hàng chục cm trong đồng hoặc sắt.
Tình hình khác hẳn với sự yếu đuối tương tác. Như chúng ta đã nói, đường đi tự do trung bình của neutrino trong vật chất đậm đặc được đo bằng đơn vị thiên văn. Điều này cho thấy cường độ tương tác yếu thấp đáng ngạc nhiên.
Bất kỳ quá trình tương tác tiểu học vật rất nhỏđược đặc trưng bởi một thời gian nhất định xác định thời lượng trung bình của nó. Các quá trình gây ra bởi yếu tương tác, thường được gọi là “chậm” vì thời gian dành cho chúng tương đối dài.
Tuy nhiên, người đọc có thể ngạc nhiên rằng một hiện tượng xảy ra trong khoảng thời gian 10-6 (một phần triệu giây) được phân loại là chậm. Ví dụ, thời gian sống này là điển hình cho sự phân rã của muon do tác động yếu tương tác. Nhưng mọi thứ đều được học bằng cách so sánh. Trên thế giới tiểu học vật rất nhỏ khoảng thời gian như vậy thực sự là khá dài. Đơn vị chiều dài tự nhiên trong thế giới vi mô là 10-13 cm - bán kính tác dụng của lực hạt nhân. Và từ khi còn học tiểu học vật rất nhỏ năng lượng cao có tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (khoảng 1010 cm mỗi giây), thì thang thời gian “bình thường” đối với chúng sẽ là 10-23 giây.
Điều này có nghĩa là khoảng thời gian 10-6 giây đối với các “công dân” của thế giới vi mô dài hơn rất nhiều so với thời gian của bạn và tôi trong toàn bộ thời gian tồn tại của sự sống trên Trái đất.
Tương tác yếu
Tương tác mạnh
Tương tác mạnh có tác dụng ngắn. Phạm vi hoạt động của nó là khoảng 10-13 cm.
Các hạt tham gia tương tác mạnh được gọi là hadron. Trong một chất ổn định thông thường ở nhiệt độ không quá cao, các tương tác mạnh không gây ra bất kỳ quá trình nào. Vai trò của nó là tạo ra liên kết bền chặt giữa các nucleon (proton và neutron) trong hạt nhân. Năng lượng liên kết trung bình khoảng 8 MeV mỗi nucleon. Hơn nữa, trong quá trình va chạm của hạt nhân hoặc nucleon với năng lượng đủ cao (cỡ hàng trăm MeV), tương tác mạnh dẫn đến nhiều phản ứng hạt nhân: phân hạch hạt nhân, biến đổi một số hạt nhân thành hạt nhân khác, v.v..
Bắt đầu từ năng lượng của các nucleon va chạm cỡ vài trăm MeV, tương tác mạnh dẫn đến việc tạo ra các meson P. Ở những mức năng lượng cao hơn nữa, meson K và hyperon, cùng nhiều cộng hưởng meson và baryon được sinh ra (cộng hưởng là trạng thái kích thích tồn tại trong thời gian ngắn của hadron).
Đồng thời, hóa ra không phải tất cả các hạt đều trải qua tương tác mạnh. Do đó, các proton và neutron trải nghiệm nó, nhưng các electron, neutrino và photon không chịu ảnh hưởng của nó. Thông thường chỉ có các hạt nặng mới tham gia vào tương tác mạnh.
Việc giải thích lý thuyết về bản chất của tương tác mạnh rất khó phát triển. Một bước đột phá chỉ xuất hiện vào đầu những năm 1960, khi mô hình quark được đề xuất. Trong lý thuyết này, neutron và proton không được coi là các hạt cơ bản mà là các hệ thống tổng hợp được tạo ra từ các quark
Lượng tử tương tác mạnh là 8 gluon. Gluon có tên bắt nguồn từ từ keo trong tiếng Anh, vì chúng chịu trách nhiệm giam cầm các quark. Khối lượng còn lại của gluon bằng không. Đồng thời, các gluon có điện tích màu, do đó chúng có khả năng tương tác với nhau, như người ta nói, tự tương tác, dẫn đến khó khăn trong việc mô tả tương tác mạnh về mặt toán học do tính phi tuyến của nó.
Phạm vi hoạt động của nó nhỏ hơn 10-15 cm. Tương tác yếu yếu hơn nhiều bậc không chỉ so với tương tác mạnh mà còn cả tương tác điện từ. Hơn nữa, nó mạnh hơn nhiều so với lực hấp dẫn trong vũ trụ vi mô.
Quá trình được phát hiện đầu tiên và phổ biến nhất do tương tác yếu gây ra là phân rã phóng xạ b hạt nhân.
Đăng trên ref.rf
Loại phóng xạ này được phát hiện vào năm 1896 bởi A.A. Becquerelem. Trong quá trình phân rã electron phóng xạ /b - -/, một trong các neutron / N/ hạt nhân nguyên tử biến thành proton / R/ với sự phát xạ điện tử / e-/ và phản neutrino electron //:
n ® p + e-+
Trong quá trình phân rã dương điện tử /b + -/ xảy ra quá trình chuyển đổi sau:
p® n + e++
Trong lý thuyết đầu tiên về phân rã b, do E. Fermi đưa ra vào năm 1934, để giải thích hiện tượng này, người ta cần đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của một loại lực tầm ngắn đặc biệt gây ra sự chuyển đổi
n ® p + e-+
Nghiên cứu sâu hơn cho thấy sự tương tác do Fermi đưa ra có tính chất phổ quát.
Đăng trên ref.rf
Nó gây ra sự phân rã của tất cả các hạt không ổn định, có khối lượng và quy luật chọn lọc dựa trên số lượng tử không cho phép chúng phân rã do tương tác mạnh hoặc điện từ. Tương tác yếu vốn có ở mọi hạt ngoại trừ photon. Thời gian đặc trưng của các quá trình tương tác yếu ở mức năng lượng cỡ 100 MeV dài hơn 13-14 bậc độ lớn so với thời gian đặc trưng của tương tác mạnh.
Lượng tử tương tác yếu là ba boson - W + , W − , Z°- boson. Các chữ số trên biểu thị dấu điện tích của các lượng tử này. Lượng tử tương tác yếu có khối lượng đáng kể, dẫn đến thực tế là tương tác yếu biểu hiện ở khoảng cách rất ngắn.
Cần phải lưu ý rằng ngày nay các tương tác yếu và tương tác điện từ đã được kết hợp thành một lý thuyết duy nhất. Có một số sơ đồ lý thuyết cố gắng tạo ra một lý thuyết thống nhất về tất cả các loại tương tác. Tuy nhiên, các chương trình này vẫn chưa được phát triển đủ để thử nghiệm thực nghiệm.
26. Vật lý kết cấu. Cách tiếp cận cơ thể để mô tả và giải thích về thiên nhiên. Chủ nghĩa giản lược
Đối tượng của vật lý cấu trúc là các phần tử của cấu trúc vật chất (ví dụ, phân tử, nguyên tử, hạt cơ bản) và sự hình thành chúng phức tạp hơn. Cái này:
1) huyết tương - nó là chất khí trong đó một phần đáng kể các phân tử hoặc nguyên tử bị ion hóa;
2) tinh thể- đây là những chất rắn trong đó các nguyên tử hoặc phân tử được sắp xếp một cách có trật tự và tạo thành cấu trúc bên trong lặp lại theo chu kỳ;
3) chất lỏng- đây là trạng thái tổng hợp của một chất, kết hợp các đặc điểm của trạng thái rắn (bảo toàn thể tích, độ bền kéo nhất định) và trạng thái khí (biến đổi hình dạng).
Chất lỏng được đặc trưng bởi:
a) trật tự ngắn trong cách sắp xếp các hạt (phân tử, nguyên tử);
b) sự khác biệt nhỏ về động năng của chuyển động nhiệt và thế năng tương tác của chúng.
4) ngôi sao,ᴛ.ᴇ. quả bóng khí phát sáng (plasma).
Khi xác định phương trình cấu trúc của một chất, các tiêu chí sau được sử dụng:
Kích thước không gian: các hạt cùng cấp có kích thước không gian theo cùng một trật tự (ví dụ: tất cả các nguyên tử đều có kích thước theo thứ tự 10 -8 cm);
Thời gian xử lý: ở một cấp độ, nó có cùng mức độ lớn;
Các vật thể cùng cấp bao gồm các phần tử giống nhau (ví dụ, tất cả các hạt nhân đều bao gồm proton và neutron);
Các quy luật giải thích các quy trình ở một cấp độ khác nhau về mặt chất lượng so với các quy luật giải thích các quy trình ở một cấp độ khác;
Các vật thể ở các cấp độ khác nhau có những đặc tính cơ bản khác nhau (ví dụ, tất cả các nguyên tử đều trung hòa về điện và tất cả các hạt nhân đều tích điện dương).
Khi các cấp độ cấu trúc và trạng thái mới của vật chất được khám phá, phạm vi đối tượng của vật lý cấu trúc ngày càng mở rộng.
Cần phải lưu ý rằng khi giải các bài toán vật lý cụ thể, các vấn đề liên quan đến việc làm sáng tỏ cấu trúc, tương tác và chuyển động có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.
Nguồn gốc của vật lý cấu trúc là cách tiếp cận hạt để mô tả và giải thích tự nhiên.
Lần đầu tiên, khái niệm nguyên tử là hạt cuối cùng và không thể phân chia của cơ thể nảy sinh ở Hy Lạp cổ đại trong khuôn khổ các giáo lý triết học tự nhiên của trường phái Leucippus-Democritus. Theo quan điểm này, trên thế giới chỉ có các nguyên tử chuyển động trong khoảng không. Các nhà nguyên tử cổ đại coi tính liên tục của vật chất là hiển nhiên. Sự kết hợp khác nhau của các nguyên tử tạo thành các vật thể nhìn thấy được khác nhau. Giả thuyết này không dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Cô ấy chỉ là một phỏng đoán tuyệt vời. Nhưng nó quyết định sự phát triển hơn nữa của khoa học tự nhiên trong nhiều thế kỷ tới.
Giả thuyết coi nguyên tử là những hạt vật chất không thể phân chia được đã được hồi sinh trong khoa học tự nhiên, đặc biệt là trong vật lý và hóa học, để giải thích một số định luật được thiết lập bằng thực nghiệm (ví dụ, định luật Boyle-Mariotte và Gay-Lussac cho khí lý tưởng, sự giãn nở nhiệt của các chất khí lý tưởng). cơ thể, v.v.). Thật vậy, định luật Boyle-Mariotte phát biểu rằng thể tích của một chất khí tỷ lệ nghịch với áp suất của nó, nhưng nó không giải thích được tại sao lại như vậy. Tương tự như vậy, khi một vật được làm nóng, kích thước của nó sẽ tăng lên. Nhưng lý do cho sự mở rộng này là gì? Trong lý thuyết động học của vật chất, những mô hình này và các mô hình thực nghiệm khác được giải thích với sự trợ giúp của các nguyên tử và phân tử.
Thật vậy, sự giảm áp suất khí được quan sát trực tiếp và đo được khi tăng thể tích của nó trong lý thuyết động học của vật chất được giải thích là sự gia tăng đường đi tự do của các nguyên tử và phân tử cấu thành nó. Kết quả là thể tích chiếm giữ của khí tăng lên. Tương tự, sự giãn nở của các vật thể khi bị nung nóng trong lý thuyết động học của vật chất được giải thích bằng sự tăng tốc độ trung bình của các phân tử chuyển động.
Những giải thích trong đó họ cố gắng quy đổi tính chất của các chất hoặc vật thể phức tạp thành tính chất của các nguyên tố hoặc thành phần đơn giản hơn của chúng được gọi là chủ nghĩa giản lược. Phương pháp phân tích này giúp giải quyết được rất nhiều vấn đề trong khoa học tự nhiên.
Cho đến cuối thế kỷ 19. Người ta tin rằng nguyên tử là hạt vật chất nhỏ nhất, không thể phân chia và không có cấu trúc. Đồng thời, những khám phá về electron và tính phóng xạ cho thấy điều này không phải như vậy. Mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford xuất hiện. Sau đó cô được thay thế bởi người mẫu N. Bora. Nhưng cũng như trước đây, tư tưởng của các nhà vật lý là nhằm quy giản toàn bộ tính chất phức tạp của các vật thể và hiện tượng tự nhiên thành những tính chất đơn giản của một số lượng nhỏ các hạt sơ cấp. Sau đó, những hạt này được gọi là tiểu học. Bây giờ tổng số của chúng vượt quá 350. Vì lý do này, khó có khả năng tất cả các hạt như vậy có thể được gọi là thực sự cơ bản, không chứa các nguyên tố khác. Niềm tin này được củng cố bởi giả thuyết về sự tồn tại của quark. Theo đó, các hạt cơ bản đã biết bao gồm các hạt có điện tích nhỏ. Chúng được gọi là quark.
Theo loại tương tác mà các hạt cơ bản tham gia, tất cả chúng, ngoại trừ photon, được phân thành hai nhóm:
1) hadron. Điều đáng nói là chúng được đặc trưng bởi sự hiện diện của sự tương tác mạnh mẽ. Hơn nữa, chúng còn có thể tham gia vào các tương tác yếu và tương tác điện từ;
2) lepton. Οʜᴎ chỉ tham gia vào các tương tác điện từ và tương tác yếu;
Theo tuổi thọ của chúng, chúng được phân biệt:
a) hạt cơ bản ổn định. Đó là electron, photon, proton và neutrino;
b) gần như ổn định. Đây là những hạt phân rã do tương tác điện từ và yếu. Ví dụ: to + ® m + +;
c) không ổn định. Ví dụ, Οʜᴎ phân rã do tương tác mạnh, neutron.
Điện tích của các hạt cơ bản là bội số của điện tích nhỏ nhất vốn có trong electron. Đồng thời, các hạt cơ bản được chia thành các cặp hạt - phản hạt, ví dụ e - - e + (chúng có tính chất giống nhau và dấu của điện tích trái dấu). Các hạt trung hòa về điện cũng có phản hạt, ví dụ, P -,- .
Vì vậy, khái niệm nguyên tử dựa trên ý tưởng về cấu trúc rời rạc của vật chất. Cách tiếp cận nguyên tử giải thích các tính chất của một vật thể dựa trên tính chất của các hạt nhỏ nhất của nó, mà ở một giai đoạn nhận thức nhất định được coi là không thể phân chia. Trong lịch sử, những hạt như vậy lần đầu tiên được công nhận là nguyên tử, sau đó là hạt cơ bản và bây giờ là quark. Khó khăn của phương pháp này là việc giảm hoàn toàn sự phức tạp thành đơn giản, không tính đến sự khác biệt về chất giữa chúng.
Cho đến cuối quý đầu tiên của thế kỷ XX, ý tưởng về sự thống nhất trong cấu trúc của vũ trụ vĩ mô và vi mô được hiểu một cách máy móc, như một bản sắc hoàn chỉnh của các quy luật và là sự tương đồng hoàn toàn trong cấu trúc của cả hai.
Các vi hạt được hiểu là bản sao thu nhỏ của các vĩ mô, ᴛ.ᴇ. như những quả bóng cực nhỏ (tiểu thể) chuyển động theo những quỹ đạo chính xác hoàn toàn giống với quỹ đạo hành tinh, với điểm khác biệt duy nhất là các thiên thể bị ràng buộc bởi lực tương tác hấp dẫn và các hạt vi mô bị ràng buộc bởi lực tương tác điện.
Sau khi phát hiện ra electron (Thomson, 1897), sự ra đời của lý thuyết lượng tử (Planck, 1900) và sự ra đời của khái niệm photon (Einstein, 1905), lý thuyết nguyên tử đã mang một đặc tính mới.
Đăng trên ref.rf
Ý tưởng về tính rời rạc đã được mở rộng sang lĩnh vực hiện tượng điện và ánh sáng, sang khái niệm năng lượng (vào thế kỷ 19, học thuyết về năng lượng đóng vai trò là phạm vi của các ý tưởng về các đại lượng và hàm số liên tục của trạng thái). Đặc điểm quan trọng nhất của việc giảng dạy nguyên tử hiện đại là tính nguyên tử của hành động. Đó là do chuyển động, tính chất và trạng thái của các vật thể vi mô khác nhau có thể tuân theo lượng tử hóa, ᴛ.ᴇ. được thể hiện dưới dạng số lượng và tỷ lệ rời rạc. Chủ nghĩa nguyên tử mới công nhận tính ổn định tương đối của từng loại vật chất riêng biệt, tính chắc chắn về chất lượng, tính không thể phân chia tương đối và tính không thể biến đổi của nó trong các ranh giới đã biết của các hiện tượng tự nhiên. Ví dụ, vì có thể chia được theo một số cách vật lý, một nguyên tử lại không thể chia được về mặt hóa học, ᴛ.ᴇ. trong các quá trình hóa học, nó hoạt động như một cái gì đó tổng thể, không thể phân chia được. Một phân tử, có thể phân chia về mặt hóa học thành các nguyên tử, trong chuyển động nhiệt (đến những giới hạn nhất định) hoạt động như một tổng thể, không thể phân chia, v.v.
Đặc biệt quan trọng trong khái niệm thuyết nguyên tử mới là sự thừa nhận khả năng chuyển đổi lẫn nhau của bất kỳ loại vật chất rời rạc nào.
Các cấp độ khác nhau của tổ chức cấu trúc của thực tại vật lý (quark, vi hạt, hạt nhân, nguyên tử, phân tử, vĩ mô, siêu hệ thống) có các định luật vật lý cụ thể của riêng chúng. Nhưng cho dù hiện tượng đang được nghiên cứu có khác biệt thế nào so với hiện tượng được vật lý cổ điển nghiên cứu thì tất cả dữ liệu thực nghiệm đều phải được mô tả bằng các khái niệm cổ điển. Có sự khác biệt cơ bản giữa mô tả hành vi của vi vật thể đang được nghiên cứu và mô tả hoạt động của các dụng cụ đo lường. Đây là kết quả của thực tế là về nguyên tắc, hoạt động của các dụng cụ đo cần được mô tả bằng ngôn ngữ vật lý cổ điển, nhưng đối tượng đang nghiên cứu có thể không được mô tả bằng ngôn ngữ này.
Cách tiếp cận hạt trong việc giải thích các hiện tượng và quá trình vật lý luôn được kết hợp với cách tiếp cận liên tục kể từ khi xuất hiện vật lý tương tác. Nó được thể hiện trong khái niệm trường và sự bộc lộ vai trò của nó trong tương tác vật lý. Việc biểu diễn trường như một dòng chảy của một loại hạt nhất định (lý thuyết trường lượng tử) và sự quy kết các tính chất sóng cho bất kỳ vật thể vật lý nào (giả thuyết của Louis de Broglie) đã kết hợp hai cách tiếp cận này để phân tích các hiện tượng vật lý.
Tương tác yếu - khái niệm và các loại. Phân loại và đặc điểm của hạng mục “Tương tác yếu” 2017, 2018.
Năm 1896, nhà khoa học người Pháp Henri Becquerel đã phát hiện ra chất phóng xạ trong uranium. Đây là tín hiệu thực nghiệm đầu tiên về các lực tự nhiên chưa được biết đến trước đây - tương tác yếu. Ngày nay chúng ta biết rằng lực yếu đứng đằng sau nhiều hiện tượng quen thuộc - ví dụ, nó liên quan đến một số phản ứng nhiệt hạch hỗ trợ bức xạ của Mặt trời và các ngôi sao khác.
Cái tên “yếu” được đặt cho tương tác này do sự hiểu lầm - ví dụ, đối với một proton, nó mạnh hơn tương tác hấp dẫn 1033 lần (xem Lực hấp dẫn, Sự thống nhất của tự nhiên này). Đúng hơn, đây là một tương tác mang tính hủy diệt, lực duy nhất của tự nhiên không giữ các chất lại với nhau mà chỉ phá hủy nó. Người ta cũng có thể gọi nó là “vô nguyên tắc”, vì trong sự hủy diệt, nó không tính đến các nguyên tắc về tính chẵn lẻ về không gian và tính thuận nghịch về thời gian, vốn được các lực lượng khác tuân theo.
Các tính chất cơ bản của tương tác yếu được biết đến từ những năm 1930, chủ yếu nhờ vào công trình của nhà vật lý người Ý E. Fermi. Hóa ra, không giống như lực hấp dẫn và lực điện, lực yếu có phạm vi tác dụng rất ngắn. Trong những năm đó, dường như không có bán kính hành động nào cả - tương tác diễn ra tại một điểm trong không gian, và hơn nữa là ngay lập tức. Sự tương tác này hầu như (trong một thời gian ngắn) biến mỗi proton của hạt nhân thành neutron, positron thành positron và neutrino, và mỗi neutron thành proton, electron và phản neutrino. Trong các hạt nhân ổn định (xem Hạt nhân nguyên tử), những biến đổi này vẫn là ảo, giống như sự tạo ra ảo các cặp electron-positron hoặc cặp proton-phản proton trong chân không.
Nếu sự chênh lệch về khối lượng của các hạt nhân khác nhau bởi một điện tích đủ lớn, thì những biến đổi ảo này trở thành hiện thực và hạt nhân thay đổi điện tích của nó đi 1, phát ra một electron và một phản neutrino (phân rã electron) hoặc một positron và một neutrino ( phân rã positron). Neutron có khối lượng lớn hơn khoảng 1 MeV tổng khối lượng của proton và electron. Do đó, neutron tự do phân rã thành proton, electron và phản neutrino, giải phóng năng lượng xấp xỉ 1 MeV. Thời gian tồn tại của neutron tự do là khoảng 10 phút, mặc dù ở trạng thái liên kết, chẳng hạn như ở deuteron, bao gồm neutron và proton, các hạt này tồn tại vô thời hạn.
Một sự kiện tương tự xảy ra với muon (xem Pepton) - nó phân rã thành electron, neutrino và phản neutrino. Trước khi phân rã, muon tồn tại trong khoảng c - ít hơn nhiều so với neutron. Lý thuyết của Fermi giải thích điều này bằng sự chênh lệch khối lượng của các hạt liên quan. Càng nhiều năng lượng được giải phóng trong quá trình phân rã thì nó càng di chuyển nhanh hơn. Sự giải phóng năng lượng trong quá trình phân rã là khoảng 100 MeV, lớn hơn khoảng 100 lần so với quá trình phân rã của neutron. Thời gian sống của một hạt tỉ lệ nghịch với lũy thừa năm của năng lượng này.
Hóa ra trong những thập kỷ gần đây, tương tác yếu là tương tác không cục bộ, nghĩa là nó không xảy ra ngay lập tức và không xảy ra tại một thời điểm. Theo lý thuyết hiện đại, tương tác yếu không truyền đi ngay lập tức mà một cặp electron-phản neutrino ảo được sinh ra sau khi muon biến đổi thành neutrino, và điều này xảy ra ở khoảng cách cm. Không một thước đo, không một kính hiển vi nào có thể làm được. tất nhiên, hãy đo khoảng cách nhỏ như vậy, cũng như không có đồng hồ bấm giờ nào có thể đo được khoảng thời gian nhỏ như vậy. Hầu như luôn luôn như vậy, trong vật lý hiện đại chúng ta phải bằng lòng với những dữ liệu gián tiếp. Các nhà vật lý xây dựng nhiều giả thuyết khác nhau về cơ chế của quá trình và kiểm tra tất cả các loại hệ quả của những giả thuyết này. Những giả thuyết mâu thuẫn với ít nhất một thí nghiệm đáng tin cậy sẽ bị loại bỏ và các thí nghiệm mới được tiến hành để kiểm tra những giả thuyết còn lại. Quá trình này, trong trường hợp tương tác yếu, tiếp tục trong khoảng 40 năm, cho đến khi các nhà vật lý tin chắc rằng tương tác yếu được thực hiện bởi các hạt siêu lớn - nặng hơn proton 100 lần. Những hạt này có spin 1 và được gọi là boson vector (được phát hiện năm 1983 tại CERN, Thụy Sĩ - Pháp).
Có hai boson vectơ tích điện và một boson trung tính (biểu tượng ở trên cùng, như thường lệ, biểu thị điện tích tính bằng đơn vị proton). Một boson vectơ tích điện “hoạt động” trong sự phân rã của neutron và muon. Quá trình phân rã muon được thể hiện trong hình 2. (ở trên, bên phải). Những hình vẽ như vậy được gọi là sơ đồ Feynman; chúng không chỉ minh họa quá trình mà còn giúp tính toán nó. Đây là một dạng viết tắt của công thức tính xác suất xảy ra phản ứng; nó được sử dụng ở đây chỉ nhằm mục đích minh họa.
Muon biến thành neutrino, phát ra -boson, phân rã thành electron và phản neutrino. Năng lượng được giải phóng không đủ cho sự ra đời thực sự của một boson, nên nó được sinh ra một cách ảo, tức là trong một thời gian rất ngắn. Trong trường hợp này là s. Trong thời gian này, trường tương ứng với -boson không có thời gian để hình thành sóng, hay nói cách khác là một hạt thực sự (xem Trường và hạt). Một cục từ trường có kích thước cm được hình thành và sau c một electron và một phản neutrino được sinh ra từ nó.
Đối với sự phân rã của neutron, có thể vẽ biểu đồ tương tự, nhưng ở đây nó đã đánh lừa chúng ta. Thực tế là kích thước của neutron là cm, lớn hơn 1000 lần bán kính tác dụng của lực yếu. Do đó, các lực này tác dụng bên trong neutron, nơi đặt các quark. Một trong ba quark neutron phát ra một boson -, biến đổi thành một quark khác. Điện tích của các quark trong neutron là: -1/3, - 1/3 và do đó một trong hai quark có điện tích âm -1/3 chuyển thành quark có điện tích dương. Kết quả sẽ là các quark có điện tích - 1/3, 2/3, 2/3, cùng tạo thành một proton. Sản phẩm phản ứng - electron và phản neutrino - tự do bay ra khỏi proton. Nhưng đó là một quark phát ra -boson. nhận cú đá và bắt đầu di chuyển theo hướng ngược lại. Tại sao anh ta không bay ra ngoài?
Nó được gắn kết với nhau bằng sự tương tác mạnh mẽ. Sự tương tác này sẽ mang quark cùng với hai người bạn đồng hành không thể tách rời của nó, dẫn đến một proton chuyển động. Theo sơ đồ tương tự, xảy ra sự phân rã yếu (gắn liền với tương tác yếu) của các hadron còn lại. Tất cả chúng đều dẫn đến sự phát xạ boson vectơ bởi một trong các quark, sự chuyển đổi boson vectơ này thành các lepton (, và -hạt) và sự giãn nở hơn nữa của các sản phẩm phản ứng.
Tuy nhiên, đôi khi, sự phân rã hadron cũng xảy ra: một boson vectơ có thể phân rã thành cặp quark-phản quark, cặp này sẽ biến thành meson.
Vì vậy, một số lượng lớn các phản ứng khác nhau bắt nguồn từ sự tương tác của quark và lepton với boson vector. Sự tương tác này là phổ quát, nghĩa là nó giống nhau đối với các quark và lepton. Tính phổ biến của tương tác yếu, trái ngược với tính phổ biến của tương tác hấp dẫn hoặc điện từ, vẫn chưa nhận được lời giải thích toàn diện. Trong các lý thuyết hiện đại, tương tác yếu được kết hợp với tương tác điện từ (xem Sự thống nhất của các lực tự nhiên).
Về sự phá vỡ đối xứng do tương tác yếu, xem Chẵn lẻ, Neutrino. Bài viết Sự thống nhất của các lực lượng tự nhiên nói về vị trí của các thế lực yếu trong bức tranh thế giới vi mô