Vahva vuorovaikutus
Vahva vuorovaikutus on lyhytvaikutteista. Sen toiminta-alue on noin 10-13 cm.
Vahvaan vuorovaikutukseen osallistuvia hiukkasia kutsutaan hadroneiksi. Tavallisessa stabiilissa aineessa ei liian korkeassa lämpötilassa voimakkaat vuorovaikutukset eivät aiheuta prosesseja. Sen tehtävänä on luoda vahva sidos nukleonien (protonien ja neutronien) välille ytimissä. Sitoutumisenergia on keskimäärin noin 8 MeV nukleonia kohti. Lisäksi ytimien tai nukleonien törmäyksissä, joissa on riittävän korkea energia (luokkaa satoja MeV), voimakas vuorovaikutus johtaa lukuisiin ydinreaktioihin: ydinfissio, joidenkin ytimien muuttuminen toisiksi jne.
Alkaen usean sadan MeV:n luokkaa olevien nukleonien törmäysenergioista, voimakas vuorovaikutus johtaa P-mesonien tuotantoon. Vielä korkeammilla energioilla syntyy K-mesoneja ja hyperoneja sekä monia mesoni- ja baryoniresonansseja (resonanssit ovat hadronien lyhytaikaisia virittyneitä tiloja).
Samalla kävi ilmi, että kaikki hiukkaset eivät koe vahvaa vuorovaikutusta. Siten protonit ja neutronit kokevat sen, mutta elektronit, neutriinot ja fotonit eivät ole sen alaisia. Yleensä vain raskaat hiukkaset osallistuvat voimakkaaseen vuorovaikutukseen.
Luonnon teoreettinen selitys vahva vuorovaikutus kehitys oli vaikeaa. Läpimurto tapahtui vasta 1960-luvun alussa, kun kvarkkimallia ehdotettiin. Tässä teoriassa neutroneja ja protoneja ei pidetä alkuainehiukkasina, vaan kvarkeista rakennettuina komposiittisysteemeinä.
Vahvat vuorovaikutuskvantit ovat kahdeksan gluonia. Gluonit ovat saaneet nimensä Englanninkielinen sana liimaa (liimaa), koska ne ovat vastuussa kvarkkien sulkemisesta. Gluonien loput massat ovat nollia. Samaan aikaan gluoneilla on värillinen varaus, jonka ansiosta ne pystyvät olemaan vuorovaikutuksessa keskenään, kuten sanotaan, itsevuorovaikutukseen, mikä johtaa vaikeuksiin kuvata vahvaa vuorovaikutusta matemaattisesti sen epälineaarisuuden vuoksi.
Sen vaikutusalue on alle 10-15 cm. Heikko vuorovaikutus on useita suuruusluokkaa heikompi kuin voimakas, vaan myös sähkömagneettinen. Lisäksi se on paljon vahvempi kuin gravitaatiovoima mikrokosmuksessa.
Ensimmäinen löydetty ja yleisin heikon vuorovaikutuksen aiheuttama prosessi on radioaktiivinen ydinb-hajoaminen.
Lähetetty osoitteessa ref.rf
Tämäntyyppisen radioaktiivisuuden löysi vuonna 1896 A.A. Becquerelem. Radioaktiivisen elektronin /b - -/ hajoamisprosessin aikana yksi neutroneista / n/atomiydin muuttuu protoniksi / r/ elektroniemissiolla / e-/ ja elektroniantineutrino //:
n® p + e-+
Positronisen /b + -/ -hajoamisen prosessissa tapahtuu seuraava siirtymä:
p® n + e++
Ensimmäisessä b-hajoamisen teoriassa, jonka E. Fermi loi vuonna 1934, tämän ilmiön selittämiseksi oli tarpeen esittää hypoteesi tietyntyyppisten lyhyen kantaman voimien olemassaolosta, jotka aiheuttavat siirtymän.
n® p + e-+
Jatkotutkimukset osoittivat, että Fermin esittelemällä vuorovaikutuksella on universaali luonne.
Lähetetty osoitteessa ref.rf
Se aiheuttaa kaikkien epästabiilien hiukkasten, joiden massat ja valintasäännöt, hajoamisen kvanttiluvutälä anna niiden hajota voimakkaan tai sähkömagneettisen vuorovaikutuksen vuoksi. Heikko vuorovaikutus on luontaista kaikille hiukkasille paitsi fotoneille. Heikkojen vuorovaikutusprosessien ominaisaika 100 MeV:n energioilla on 13-14 suuruusluokkaa pidempi kuin vahvan vuorovaikutuksen ominaisaika.
Heikot vuorovaikutuskvantit ovat kolme bosonia - W + , W - , Z°- bosonit. Yläindeksit osoittavat näiden kvanttien sähkövarauksen merkin. Heikoilla vuorovaikutuskvanteilla on merkittävä massa, mikä johtaa siihen, että heikko vuorovaikutus ilmenee hyvin lyhyillä etäisyyksillä.
On otettava huomioon, että nykyään heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus on jo yhdistetty yhdeksi teoriaksi. On olemassa useita teoreettisia järjestelmiä, jotka yrittävät luoda yhtenäisen teorian kaikentyyppisistä vuorovaikutuksista. Näitä järjestelmiä ei kuitenkaan ole vielä kehitetty tarpeeksi kokeellisesti testattavaksi.
26. Rakennefysiikka. Korpuskulaarinen lähestymistapa luonnon kuvaukseen ja selittämiseen. Redukcionismi
Rakennefysiikan esineitä ovat aineen rakenteen elementit (esim. molekyylejä, atomeja, alkuainehiukkasia) ja niiden monimutkaisempi muodostus. Tämä:
1) plasma - se on kaasu, jossa merkittävä osa molekyyleistä tai atomeista on ionisoitunut;
2) kiteitä- nämä ovat kiinteitä aineita, joissa atomit tai molekyylit ovat järjestäytyneet järjestyksessä ja muodostavat ajoittain toistuvan sisäisen rakenteen;
3) nesteitä- tämä on aineen aggregaattitila, jossa yhdistyvät kiinteän tilan (tilavuuden säilyminen, tietty vetolujuus) ja kaasumaisen tilan (muodon vaihtelevuus) piirteet.
Nesteelle on ominaista:
a) lyhyen kantaman järjestys hiukkasten (molekyylien, atomien) järjestelyssä;
b) pieni ero lämpöliikkeen kineettisessä energiassa ja niiden potentiaalisessa vuorovaikutusenergiassa.
4) tähdet,ᴛ.ᴇ. hehkuva kaasu (plasma) pallot.
Aineen rakenneyhtälöitä määritettäessä käytetään seuraavia kriteerejä:
Spatiaaliset mitat: saman tason hiukkasten avaruudelliset mitat ovat samaa luokkaa (esimerkiksi kaikkien atomien mitat ovat luokkaa 10-8 cm);
Prosessiaika: yhdellä tasolla se on suunnilleen samaa suuruusluokkaa;
Saman tason esineet koostuvat samoista alkuaineista (esimerkiksi kaikki ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista);
Lait, jotka selittävät prosesseja yhdellä tasolla, ovat laadullisesti erilaisia kuin lait, jotka selittävät prosesseja toisella tasolla;
Eri tasoilla olevat esineet eroavat perusominaisuuksiltaan (esimerkiksi kaikki atomit ovat sähköisesti neutraaleja ja kaikki ytimet ovat positiivisesti sähköisesti varautuneita).
Kun uusia rakenteen ja aineen tilojen tasoja löydetään, rakennefysiikan objektialue laajenee.
On otettava huomioon, että tiettyjä fyysisiä ongelmia ratkaistaessa rakenteen, vuorovaikutuksen ja liikkeen selvittämiseen liittyvät asiat kietoutuvat tiiviisti yhteen.
Rakennefysiikan ytimessä on korpuskulaarinen lähestymistapa luonnon kuvaamiseen ja selittämiseen.
Ensimmäistä kertaa atomin käsite kehon viimeisenä ja jakamattomana hiukkasena syntyi Muinainen Kreikka Leukippos-Demokritoksen koulukunnan luonnonfilosofisten opetusten puitteissa. Tämän näkemyksen mukaan maailmassa on vain atomeja, jotka liikkuvat tyhjiössä. Muinaiset atomistit pitivät aineen jatkuvuutta ilmeisenä. Erilaiset atomien yhdistelmät muodostavat erilaisia näkyvät ruumiit. Tämä hypoteesi ei perustunut kokeellisiin tietoihin. Hän oli vain loistava arvaus. Mutta se määräsi kaiken tuleville vuosisadoille. jatkokehitystä luonnontieteet.
Luonnontieteissä, erityisesti fysiikassa ja kemiassa, herätettiin hypoteesi atomeista jakamattomina aineen hiukkasina selittämään joitain kokeellisesti vahvistettuja lakeja (esim. Boyle-Mariotte- ja Gay-Lussac-lait ihanteellisille kaasuille, lämpölaajeneminen). ruumiit jne.). Itse asiassa Boyle-Marriottin laki sanoo, että kaasun tilavuus on kääntäen verrannollinen sen paineeseen, mutta se ei selitä miksi näin on. Samoin kun kehoa kuumennetaan, sen koko kasvaa. Mutta mikä on syy tähän laajentumiseen? Aineen kineettisessä teoriassa näitä ja muita kokeellisesti vakiintuneita kuvioita selitetään atomien ja molekyylien avulla.
Todellakin, suoraan havaittu ja mitattavissa oleva kaasunpaineen lasku sen tilavuuden kasvaessa aineen kineettisessä teoriassa selitetään sen muodostavien atomien ja molekyylien vapaan reitin lisääntymisenä. Tämän seurauksena kaasun käyttämä tilavuus kasvaa. Vastaavasti kappaleiden laajeneminen kuumennettaessa aineen kineettisessä teoriassa selittyy liikkuvien molekyylien keskinopeuden kasvulla.
Selitykset mille ominaisuuksille monimutkaiset aineet tai he yrittävät pelkistää kappaleita niiden yksinkertaisempien elementtien ominaisuuksiin tai komponentit, soitti redukcionismi. Tämä analyysimenetelmä mahdollisti ratkaisemisen luonnontieteissä iso luokka tehtäviä.
Jopa myöhään XIX V. Uskottiin, että atomi on aineen pienin, jakamaton, rakenteeton hiukkanen. Samaan aikaan elektronin ja radioaktiivisuuden löydöt osoittivat, että näin ei ole. Rutherfordin planeettamalli atomista syntyy. Sitten hänet korvaa malli N. Bora. Mutta kuten ennenkin, fyysikkojen ajatukset tähtäävät kaiken monimuotoisuuden vähentämiseen monimutkaiset ominaisuudet kappaleita ja luonnonilmiöitä pienen määrän primäärihiukkasten yksinkertaisiin ominaisuuksiin. Myöhemmin näitä hiukkasia kutsuttiin alkeellinen. Nyt niiden kokonaismäärä ylittää 350. Tästä syystä on epätodennäköistä, että kaikkia tällaisia hiukkasia voidaan kutsua todella alkeisaineiksi, jotka eivät sisällä muita alkuaineita. Tätä uskoa vahvistaa hypoteesi kvarkkien olemassaolosta. Sen mukaan tunnetut alkuainehiukkaset koostuvat hiukkasista, joilla on murto-osaisia sähkövarauksia. Niitä kutsutaan kvarkit.
Alkuainehiukkasten vuorovaikutuksen tyypin mukaan ne kaikki, paitsi fotoni, luokitellaan kahteen ryhmään:
1) hadronit. On syytä sanoa, että niille on ominaista vahva vuorovaikutus. Lisäksi ne voivat myös osallistua heikkoon ja sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen;
2) leptonit. Οʜᴎ osallistua vain sähkömagneettiseen ja heikkoon vuorovaikutukseen;
Elinikänsä mukaan ne erotetaan:
a) stabiilit alkuainehiukkaset. Nämä ovat elektroni, fotoni, protoni ja neutrino;
b) lähes vakaa. Nämä ovat hiukkasia, jotka hajoavat sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen vuoksi. Esimerkiksi + ® m + +;
c) epävakaa. Οʜᴎ hajoaminen vahvan vuorovaikutuksen vuoksi, esim. neutroni.
Alkuainehiukkasten sähkövaraukset ovat elektronille ominaisen pienimmän varauksen kerrannaisia. Samanaikaisesti alkuainehiukkaset jaetaan pareihin hiukkanen - antihiukkanen, esimerkiksi e - - e + (niillä on kaikilla samat ominaisuudet, ja sähkövarauksen merkit ovat päinvastaisia). Sähköisesti neutraaleissa hiukkasissa on myös antihiukkasia, esim. p -,- .
Niin, atomistinen käsite perustuu ajatukseen aineen diskreetistä rakenteesta. Atomilähestymistapa selittää fyysisen kohteen ominaisuuksia sen pienimpien hiukkasten ominaisuuksien perusteella, joita pidetään tietyssä kognition vaiheessa jakamattomina. Historiallisesti tällaiset hiukkaset tunnistettiin ensin atomeiksi, sitten alkuainehiukkasiksi ja nyt kvarkeiksi. Tämän lähestymistavan vaikeus on kompleksin täydellinen pelkistäminen yksinkertaiseksi, mikä ei ota huomioon niiden välisiä laadullisia eroja.
1900-luvun ensimmäisen neljänneksen loppuun asti ajatus makro- ja mikrokosmoksen rakenteen yhtenäisyydestä ymmärrettiin mekaanisesti, lakien täydellisenä identiteettinä ja molempien rakenteen täydellisenä samankaltaisuutena.
Mikrohiukkaset tulkittiin makrokappaleiden pienoiskopioiksi, ᴛ.ᴇ. kuten äärimmäisen pienet pallot (korpuskkelit), jotka liikkuvat tarkoilla kiertoradoilla, jotka ovat täysin samanlaisia kuin planeetan kiertoradat, sillä ainoa ero on, että taivaankappaleita niitä sitovat gravitaatiovoimat ja mikrohiukkaset sähköisen vuorovaikutuksen voimat.
Elektronin löytämisen (Thomson, 1897), kvanttiteorian luomisen (Planck, 1900) ja fotonikäsitteen käyttöönoton (Einstein, 1905) jälkeen atomiteoria sai uuden luonteen.
Lähetetty osoitteessa ref.rf
Diskreettisyyden ajatus laajennettiin sähkö- ja valoilmiöiden alalle, energiakäsitteeseen (1800-luvulla energiaoppi toimi ideointialueena jatkuvat arvot ja tilafunktiot). Tärkein ominaisuus moderni atomioppi muodostaa toiminnan atomismin. Se johtuu siitä, että erilaisten mikroobjektien liike, ominaisuudet ja tilat ovat kvantisoitavissa, ᴛ.ᴇ. ilmaistaan diskreettien suureiden ja suhteiden muodossa. Uusi atomismi tunnistaa jokaisen erillisen aineen suhteellisen stabiilisuuden, sen laadullisen varmuuden, sen suhteellisen jakamattomuuden ja muuntamattomuuden tunnetuissa luonnonilmiöiden rajoissa. Esimerkiksi, koska atomi on jaollinen joillakin fysikaalisilla tavoilla, se on kemiallisesti jakamaton, ᴛ.ᴇ. kemiallisissa prosesseissa se käyttäytyy kokonaisena, jakamattomana. Kemiallisesti atomeihin jakautuva molekyyli käyttäytyy lämpöliikkeessä (tiettyihin rajoihin asti) kokonaisuutena, jakamattomana jne.
Erityisen tärkeää uuden atomismin käsitteessä on minkä tahansa erillisen aineen muunnettavuuden tunnustaminen.
Eri tasoilla fyysisen todellisuuden rakenteellisella organisaatiolla (kvarkeilla, mikrohiukkasilla, ytimillä, atomeilla, molekyyleillä, makroeliöillä, megajärjestelmillä) on omat erityiset fysikaaliset lakinsa. Mutta riippumatta siitä, kuinka erilaisia tutkittavat ilmiöt ovat klassisen fysiikan tutkimista ilmiöistä, kaikki kokeelliset tiedot on kuvattava käyttämällä klassisia käsitteitä. Tutkittavan mikroobjektin käyttäytymisen kuvauksen ja mittauslaitteiden toiminnan kuvauksen välillä on perustavanlaatuinen ero. Tämä johtuu siitä, että mittauslaitteiden toiminta on periaatteessa kuvattava kielellä klassinen fysiikka, ja tutkittavaa kohdetta ei välttämättä kuvailla tällä kielellä.
Korpuskulaarinen lähestymistapa selittämiseen fyysisiä ilmiöitä ja prosesseja on aina yhdistetty jatkumo-lähestymistapaan vuorovaikutusfysiikan ilmaantumisen jälkeen. Se ilmeni kentän käsitteenä ja sen roolin paljastamisessa fyysisessä vuorovaikutuksessa. Kentän esittäminen tietyntyyppisten hiukkasten virtauksena (kvanttikenttäteoria) ja aaltoominaisuuksien antaminen mille tahansa fyysiselle esineelle (Louis de Broglien hypoteesi) yhdisti nämä kaksi lähestymistapaa fysikaalisten ilmiöiden analysointiin.
Heikko vuorovaikutus - käsite ja tyypit. Luokan "Heikko vuorovaikutus" luokitus ja ominaisuudet 2017, 2018.
Lukija tuntee erilaiset voimat, jotka ilmenevät vuorovaikutuksia ruumiiden välillä. Mutta pohjimmiltaan erilaisia tyyppejä vuorovaikutusta hyvin vähän. Paitsi painovoima, joka pelaa merkittävä rooli vain valtavien massojen läsnä ollessa, tunnetaan vain kolmen tyyppisiä vuorovaikutuksia: vahva, sähkömagneettinen ja heikko.
Sähkömagneettinen vuorovaikutusta kaikki tietävät. Niiden ansiosta epätasaisesti liikkuva sähkövaraus (esim. elektroni atomissa) lähettää sähkömagneettisia aaltoja (esim. näkyvä valo). Kaikki kemialliset prosessit liittyvät tähän vuorovaikutusluokkaan, samoin kuin kaikki molekyyli-ilmiöt - pintajännitys, kapillaarisuus, adsorptio, juoksevuus. Sähkömagneettinen vuorovaikutusta, joiden teoria on loistavasti kokemuksen vahvistama, liittyvät syvästi sähkövaraukseen alkeellinen hiukkasia.
Vahva vuorovaikutusta tuli tunnetuksi vasta atomiytimen sisäisen rakenteen löytämisen jälkeen. Vuonna 1932 havaittiin, että se koostuu nukleoneista, neutroneista ja protoneista. Ja täsmälleen vahva vuorovaikutusta yhdistä nukleonit ytimessä - ovat vastuussa ydinvoimista, joille, toisin kuin sähkömagneettisille, on ominaista erittäin lyhyt toiminta-alue (noin 10-13, eli senttimetrin kymmenen biljoonaosa) ja korkea intensiteetti. Tämän lisäksi vahva vuorovaikutusta näkyvät törmäysten aikana hiukkasia korkeat energiat, joihin liittyy pioneja ja niin sanottuja "outoja" hiukkasia.
Vuorovaikutusten intensiteettiä on kätevää arvioida käyttämällä niin sanottua keskimääräistä vapaata polkua hiukkasia jossain aineessa, ts. keskimääräistä polun pituutta pitkin, mikä hiukkanen voi kulkea tämän aineen läpi, kunnes tapahtuu tuhoava tai voimakkaasti taipuva törmäys. On selvää, että mitä pidempi keskimääräinen vapaa polku, sitä vähemmän intensiivistä vuorovaikutusta.
Jos ajatellaan hiukkasia erittäin korkea energia, sitten törmäykset aiheuttamat voimakas vuorovaikutuksia, joille on ominaista vapaa polku hiukkasia, joka vastaa suuruusluokkaa kymmeniä senttimetrejä kuparissa tai raudassa.
Tilanne on toinen heikkojen kanssa vuorovaikutuksia. Kuten olemme jo sanoneet, neutriinojen keskimääräinen vapaa reitti tiheässä aineessa mitataan tähtitieteellisissä yksiköissä. Tämä osoittaa heikkojen vuorovaikutusten yllättävän alhaisen intensiteetin.
Mikä tahansa prosessi vuorovaikutusta alkeellinen hiukkasia jolle on ominaista jokin aika, joka määrittää sen keskimääräinen kesto. Heikkouden aiheuttamat prosessit vuorovaikutuksia, kutsutaan usein "hitaiksi", koska niiden käyttöaika on suhteellisen pitkä.
Lukija voi kuitenkin yllättyä, että ilmiö, joka tapahtuu esimerkiksi 10-6 (yksi miljoonasosa) sekunnissa, luokitellaan hitaiksi. Tämä elinikä on tyypillistä esimerkiksi heikon aiheuttaman myonin hajoamiselle vuorovaikutuksia. Mutta kaikki opitaan vertaamalla. maailmassa alkeellinen hiukkasia tällainen aika on todella pitkä. Luonnollinen pituusyksikkö mikrokosmuksessa on 10-13 senttimetriä - ydinvoimien toimintasäde. Ja alkeista lähtien hiukkasia korkealla energialla on nopeus lähellä valon nopeutta (noin 1010 senttimetriä sekunnissa), niin "normaali" aikaasteikko niille on 10-23 sekuntia.
Tämä tarkoittaa, että 10-6 sekunnin aika mikromaailman "kansalaisille" on paljon pidempi kuin sinulle ja minulle koko elämän aika maan päällä.
Heikko voima on yksi neljästä perusvoimasta, jotka hallitsevat kaikkea maailmankaikkeuden ainetta. Muut kolme ovat painovoima, sähkömagnetismi ja vahva voima. Kun muut voimat pitävät asiat yhdessä, heikko voima pelaa iso rooli heidän tuhossaan.
Heikko voima on vahvempi kuin painovoima, mutta se on tehokas vain hyvin pienillä etäisyyksillä. Voima toimii subatomitasolla ja sillä on kriittinen rooli tähtien tehostamisessa ja elementtien luomisessa. Hän on myös vastuussa suurin osa luonnollinen säteily universumissa.
Fermin teoria
Italialainen fyysikko Enrico Fermi kehitti teorian vuonna 1933 selittämään beetahajoamista, prosessia, jossa neutroni muuttuu protoniksi ja syrjäyttää elektronin, jota usein kutsutaan tässä yhteydessä beetahiukkaseksi. Hän päätti uusi tyyppi voimat, niin kutsuttu heikko vuorovaikutus, joka oli vastuussa hajoamisesta, perusprosessista, jossa neutroni muuttuu protoniksi, neutriinoksi ja elektroniksi, joka määriteltiin myöhemmin antineutriinoksi.
Fermi oletti alun perin, että etäisyys ja koheesio ovat nolla. Kahden hiukkasen oli koskettava, jotta voima toimisi. Sittemmin on havaittu, että heikko voima on itse asiassa voima, joka ilmenee erittäin lyhyellä etäisyydellä, joka on 0,1 % protonin halkaisijasta.
Sähkövika voima
Ensimmäinen vaihe vetyfuusiossa on kahden protonin törmäys riittävällä voimalla voittaakseen sähkömagneettisen vuorovaikutuksensa aiheuttaman keskinäisen hylkimisen.
Jos molemmat hiukkaset asetetaan lähelle toisiaan, voimakas voima voi sitoa ne yhteen. Tämä luo heliumin epävakaan muodon (2 He), jossa on kaksi protonia sisältävä ydin, toisin kuin vakaa muoto (4 He), jossa on kaksi neutronia ja kaksi protonia.
Seuraavassa vaiheessa tulee esiin heikko vuorovaikutus. Protonien ylimäärän vuoksi yksi niistä läpikäy beetahajoamisen. Tämän jälkeen muut reaktiot, mukaan lukien 3He:n välimuodostus ja fuusio, muodostavat lopulta stabiilin 4He:n.
Heikko vuorovaikutus
Fysiikka on edennyt hitaasti kohti heikon vuorovaikutuksen olemassaolon tunnistamista. Heikko voima on vastuussa hiukkasten hajoamisesta; ja siksi sen ilmentymä kohtasi radioaktiivisuuden löytämisen ja beetahajoamisen tutkimuksen.
Beta-hajoaminen on paljastanut erittäin oudon ominaisuuden. Tutkimus johti siihen johtopäätökseen, että tämä hajoaminen näytti rikkovan yhtä fysiikan peruslakia - energian säilymisen lakia. Näytti siltä, että osa energiasta katosi jonnekin. Energian säilymislain "pelastamiseksi" W. Pauli ehdotti, että beetahajoamisen aikana toinen hiukkanen lentää ulos elektronin mukana ja vie mukanaan puuttuvan energian. Se on neutraali ja sillä on epätavallisen korkea läpäisykyky, minkä vuoksi sitä ei voitu havaita. E. Fermi kutsui näkymätöntä hiukkasta "neutriinoksi".
Mutta neutriinojen ennustaminen on vasta alkua ongelmalle, sen muotoilulle. Oli tarpeen selittää neutriinojen luonne, mutta siellä jäi paljon mysteeriä. Tosiasia on, että epävakaat ytimet lähettivät elektroneja ja neutriinoja. Mutta on kiistattomasti todistettu, että ytimien sisällä ei ole sellaisia hiukkasia. Niiden esiintymisestä ehdotettiin, että elektronit ja neutriinot eivät ole ytimessä "valmiissa muodossa", vaan ne muodostuvat jotenkin radioaktiivisen ytimen energiasta. Lisätutkimukset osoittivat, että ytimeen sisältyvät omiin laitteisiinsa jätetyt neutronit hajoavat muutaman minuutin kuluttua protoniksi, elektroniksi ja neutriinoksi, ts. yhden hiukkasen sijaan ilmaantuu kolme uutta. Analyysi johti siihen johtopäätökseen tunnetut voimat ei voi aiheuttaa tällaista hajoamista. Sen ilmeisesti synnytti jokin muu, tuntematon voima. Tutkimukset ovat osoittaneet, että tämä voima vastaa jotain heikkoa vuorovaikutusta.
Heikko vuorovaikutus on kooltaan huomattavasti pienempi kuin kaikki vuorovaikutukset paitsi gravitaatiovuorovaikutus, ja järjestelmissä, joissa sitä esiintyy, sen vaikutukset jäävät sähkömagneettisten ja voimakkaiden vuorovaikutusten varjoon. Lisäksi heikko vuorovaikutus etenee hyvin pienillä etäisyyksillä. Heikon vuorovaikutuksen säde on hyvin pieni. Heikko vuorovaikutus pysähtyy yli 10-16 cm:n etäisyydelle lähteestä, joten se ei voi vaikuttaa makroskooppisiin esineisiin, vaan rajoittuu mikrokosmukseen, subatomisiin hiukkasiin. Kun monien epävakaiden ydinhiukkasten lumivyörymäinen löytö alkoi, havaittiin, että useimmat niistä osallistuvat heikkoihin vuorovaikutuksiin.
Vahva vuorovaikutus
Viimeinen perusvuorovaikutusten sarjassa on vahva vuorovaikutus, joka on valtavan energian lähde. Tyypillisin esimerkki voimakkaasta vuorovaikutuksesta vapautuvasta energiasta on aurinko. Auringon ja tähtien syvyyksissä tapahtuu jatkuvasti lämpöydinreaktioita, jotka johtuvat voimakkaista vuorovaikutuksista. Mutta ihminen on myös oppinut vapauttamaan vahvan vuorovaikutuksen: luotu vetypommi, hallittuja lämpöydinreaktiotekniikoita on suunniteltu ja parannettu.
Fysiikka tuli ajatukseen vahvan vuorovaikutuksen olemassaolosta atomiytimen rakenteen tutkimisen aikana. Jonkin voiman täytyy pitää positiivisesti varautuneita protoneja ytimessä, estäen niitä lentämästä pois sähköstaattisen repulsion vaikutuksesta. Painovoima on liian heikko tarjoamaan tätä; Ilmeisesti tarvitaan jonkinlainen vuorovaikutus, lisäksi sähkömagneettista voimakkaampi. Se löydettiin myöhemmin. Kävi ilmi, että vaikka voimakas vuorovaikutus ylittää merkittävästi kaikki muut perustavanlaatuiset vuorovaikutukset laajuudeltaan, sitä ei tunneta ytimen ulkopuolella. Kuten heikon vuorovaikutuksen tapauksessa, toiminta-alue uutta voimaa osoittautui hyvin pieneksi: voimakas vuorovaikutus ilmenee ytimen koon määräämän etäisyyden päässä, ts. noin 10-13 cm Lisäksi kävi ilmi, että kaikki hiukkaset eivät koe voimakasta vuorovaikutusta. Siten protonit ja neutronit kokevat sen, mutta elektronit, neutriinot ja fotonit eivät ole sen alaisia. Yleensä vain raskaat hiukkaset osallistuvat voimakkaaseen vuorovaikutukseen. Se on vastuussa ytimien muodostumisesta ja monista alkuainehiukkasten vuorovaikutuksista.
Teoreettista selitystä vahvan vuorovaikutuksen luonteesta on ollut vaikea kehittää. Läpimurto tapahtui vasta 60-luvun alussa, kun kvarkkimallia ehdotettiin. Tässä teoriassa neutroneja ja protoneja ei pidetä alkuainehiukkasina, vaan kvarkeista rakennettuina komposiittisysteemeinä.
Näin ollen fysikaalisissa perusvuorovaikutuksissa pitkän ja lyhyen kantaman voimien välinen ero näkyy selvästi. Toisaalta rajattoman säteen (painovoima, sähkömagnetismi) ja toisaalta pienen säteen (vahva ja heikko) vuorovaikutuksia. Maailman fyysisiä prosesseja avautuu näiden kahden polariteetin rajojen sisällä ja on äärimmäisen pienen ja äärimmäisen suuren ykseyden ruumiillistuma - lyhyen kantaman toiminnan mikrokosmuksessa ja pitkän kantaman toiminnan koko universumissa.
Tämä vuorovaikutus on heikoin perusvuorovaikutuksista, joita on kokeellisesti havaittu alkuainehiukkasten hajoamisissa, joissa kvanttivaikutukset ovat perustavanlaatuisesti merkittäviä. Muistakaamme, että gravitaatiovuorovaikutuksen kvanttiilmiöitä ei ole koskaan havaittu. Heikko vuorovaikutus erotetaan seuraavalla säännöllä: jos vuorovaikutusprosessiin osallistuu alkeishiukkanen nimeltä neutrino (tai antineutrino), tämä vuorovaikutus on heikko.
Tyypillinen esimerkki heikosta vuorovaikutuksesta on neutronin beeta-hajoaminen, jossa n-neutroni, s- protoni, e– – elektroni, e+ – elektroniantineutrino. On kuitenkin syytä muistaa, että yllä oleva sääntö ei tarkoita ollenkaan sitä, että mihin tahansa heikon vuorovaikutuksen tekoon tulisi liittää neutrino tai antineutrino. Sen tiedetään esiintyvän suuri määrä neutriinittomat hajoamiset. Esimerkkinä voidaan mainita lambda-hyperoni D:n hajoamisprosessi protoniksi s+ ja negatiivisesti varautunut pioni s– . Nykyaikaisten käsitteiden mukaan neutroni ja protoni eivät ole todellisia alkuainehiukkasia, vaan ne koostuvat kvarkeiksi kutsutuista alkuainehiukkasista.
Heikon vuorovaikutuksen intensiteettiä kuvaa Fermi-kytkentävakio G F. Jatkuva G F ulottuvuus. Dimensittömän suuren muodostamiseksi on käytettävä jotain vertailumassaa, esimerkiksi protonin massaa m p. Silloin dimensioton kytkentävakio on. Voidaan nähdä, että heikko vuorovaikutus on paljon voimakkaampaa kuin gravitaatiovuorovaikutus.
Heikko vuorovaikutus, toisin kuin gravitaatiovuorovaikutus, on lyhyen kantaman. Tämä tarkoittaa, että hiukkasten välinen heikko voima tulee voimaan vain, jos hiukkaset ovat riittävän lähellä toisiaan. Jos hiukkasten välinen etäisyys ylittää tietyn arvon, jota kutsutaan vuorovaikutussäteeksi, heikko vuorovaikutus ei ilmene. Kokeellisesti on todettu, että heikon vuorovaikutuksen ominaissäde on noin 10–15 cm, eli heikko vuorovaikutus keskittyy etäisyyksille pienempiä kokoja atomiydin.
Miksi heikosta vuorovaikutuksesta voidaan puhua itsenäisenä perusvuorovaikutuksen tyyppinä? Vastaus on yksinkertainen. On osoitettu, että on olemassa alkuainehiukkasten muunnosprosesseja, jotka eivät pelkisty gravitaatioon, sähkömagneettiseen ja voimakkaaseen vuorovaikutukseen. Hyvä esimerkki, joka osoittaa, että niitä on kolme laadullisesti erilaisia vuorovaikutuksia ydinilmiöissä, jotka liittyvät radioaktiivisuuteen. Kokeet osoittavat kolmen läsnäolon erilaisia tyyppejä radioaktiivisuus: α-, β- ja γ-radioaktiivinen hajoaminen. Tässä tapauksessa α-hajoaminen johtuu voimakkaasta vuorovaikutuksesta, γ-hajoaminen johtuu sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta. Jäljellä olevaa β-hajoamista ei voida selittää sähkömagneettisella ja vahvalla vuorovaikutuksella, ja meidän on pakko hyväksyä toinen perustavanlaatuinen vuorovaikutus, jota kutsutaan heikoksi. Yleisesti ottaen heikon vuorovaikutuksen käyttöönoton tarve johtuu siitä, että luonnossa tapahtuu prosesseja, joissa sähkömagneettinen ja voimakas hajoaminen on säilymislakien kiellettyä.
Vaikka heikko vuorovaikutus keskittyy merkittävästi ytimeen, sillä on tiettyjä makroskooppisia ilmenemismuotoja. Kuten olemme jo todenneet, se liittyy β-radioaktiivisuusprosessiin. Lisäksi heikolla vuorovaikutuksella on tärkeä rooli niin sanotuissa lämpöydinreaktioissa, jotka vastaavat tähtien energian vapautumismekanismista.
Heikon vuorovaikutuksen hämmästyttävin ominaisuus on prosessien olemassaolo, joissa peilin epäsymmetria ilmenee. Ensi silmäyksellä näyttää ilmeiseltä, että vasen ja oikea käsitteiden ero on mielivaltainen. Itse asiassa painovoiman, sähkömagneettisen ja voimakkaan vuorovaikutuksen prosessit ovat muuttumattomia suhteessa avaruudelliseen inversioon, joka suorittaa peiliheijastuksen. Sanotaan, että tällaisissa prosesseissa tilapariteetti P säilyy. Kuitenkin on kokeellisesti todettu, että heikot prosessit voivat edetä tilapariteetin säilymättä ja siksi ne näyttävät aistivan eron vasemman ja oikean välillä. Tällä hetkellä on olemassa vankkaa kokeellista näyttöä siitä, että pariteetin säilyminen heikkoissa vuorovaikutuksissa on luonteeltaan yleismaailmallista, se ei ilmene vain alkuainehiukkasten hajoamisissa, vaan myös ydin- ja jopa atomiilmiöissä. On tunnustettava, että peilien epäsymmetria on luonnon ominaisuus kaikkein perustavanlaatuisimmalla tasolla.
Pariteetin säilymättömyys heikossa vuorovaikutuksessa vaikutti niin epätavallisesta ominaisuudesta, että melkein heti sen löytämisen jälkeen teoreetikot alkoivat yrittää osoittaa, että itse asiassa vasemman ja oikean välillä on täydellinen symmetria, mutta sillä on enemmän syvä merkitys kuin aiemmin uskottiin. Peilikuva on liitettävä hiukkasten korvaaminen antihiukkasilla (varauskonjugaatio C), jolloin kaikkien perusvuorovaikutusten on oltava muuttumattomia. Myöhemmin kuitenkin todettiin, että tämä muuttumattomuus ei ole universaali. Ns. pitkäikäisten neutraalien kaonien heikkoja hajoamisia pioneiksi p + , p – on kielletty, jos ilmoitettu invarianssi todella tapahtui. Siten heikon vuorovaikutuksen erottuva ominaisuus on sen CP-invarianssi. On mahdollista, että tämä ominaisuus on vastuussa siitä, että aine universumissa hallitsee merkittävästi antihiukkasista rakennettua antimateriaalia. Maailma ja antimaailma ovat epäsymmetrisiä.
Kysymys siitä, mitkä hiukkaset ovat heikon vuorovaikutuksen kantajia, on ollut epäselvä pitkään. Ymmärrys saavutettiin suhteellisen äskettäin yhtenäisen sähköheikon vuorovaikutuksen teorian - Weinberg-Salam-Glashow teorian - puitteissa. Nykyään on yleisesti hyväksyttyä, että heikon vuorovaikutuksen kantajia ovat ns. W + - ja Z 0 -bosonit. Nämä ovat varautuneita W + ja neutraaleja Z 0 -alkuainehiukkasia, joiden spin 1 ja massat ovat suuruusluokkaa 100 m p.