Фундаментальные взаимодействия (Тема 19)

Оглавление
Введение
1. Гравитационное взаимодействие
2.Слабое взаимодействие
3. Электромагнитное взаимодействие
4. Сильное взаимодействие
Заключение
Список использованной литературы

Фундаментальные взаимодействия (Тема 19)

Принято считать, что принципы квантовой механики могут применятся к любым физическим объектам. Гравитационное взаимодействие на квантовом уровне осуществляется при участии элементарной частицы – гравитона. Он представляет собой безмассовый бозон со спином 2.
Одна взаимодействующая частица испускает переносчик взаимодействия - гравитон и ее состояние движения изменяется, другая частица поглощает его и её состояние движения тоже меняется, возникает взаимодействие частиц.
2. Слабое взаимодействие
Данный вид взаимодействия элементарных частиц проявляется при радиоактивном распаде, а именно бета-распаде.
В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она — нейтральная и обладает необычайно высокой проникающейспособностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино»3.
Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Манном, Р. Фейнманом и другими учеными. В ней утверждалось, что взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида — в кварки другого вида.
Однако к концу 50-х гг. XX в. новые физические исследования показали, что данная теория несовершенна, поскольку она работает только при малых энергиях частиц, участвующих во взаимодействии. Поэтому в 1960-е гг. независимо друг от друга С. Вайнберг и А. Салам решили, что трудности теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия — это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм — два проявления единой сущности. Так появилась единая теория электрослабого взаимодействия, в рамках которой удалось построить модель слабого взаимодействия.
Слабое взаимодействие — представляет собой самое медленное из всех известных видов взаимодействий, протека­ющих в микромире. Данный вид взаимодействия ответственен за -распад и -распад частиц, а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (10–10 с).
Данный тип взаимодействия проявляется только тогда когда взаимодействующие частицы находятся достаточно близко друг к другу, поэтому слабое взаимодействие характеризуют как короткодействующее. При превышении максимального расстояния между частицами взаимодействие не устанавливается. Расстояние на котором происходит взаимодействие между частицами (характерный радиус) при слабом взаимодействии составляет порядка 10-15 см, т.е расстояние меньше размера атомного ядра.
Основной константой характеризующей слабое взаимодействие является константа Ферми GF . Удивительной особенностью слабого взаимодействия является существования процессов, при которых происходит зеркальная асимметрия. Подобное отражение должно происходить при замене частиц на античастицы, но позже было доказано, что эта инвариантность не является универсальной, отличительной особенностью слабого взаимодействия является его СР – неинвариантность.
Понимание того какие частицы являются переносчиками при слабом взаимодействии было достигнуто довольно недавно. Это позволила сделать объединенная теория электрослабого взаимдействия, данную терию предложили независим друг от друга три ученых в честь которых на и названа - теория Вайнберга – Салама – Глэшоу. В современной физике принято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые W± и Z0 бозоны. Это заряженные W± и нейтральные Z0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными порядку величины 100mр.
3. Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементар­ных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов и молекул, обус­ловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заря­женных электронов. При данном взаимодействии константой связи принимается заряд электрона е
Электромагнитное взаимодействие имеет универсальный характер и осуществляется между любыми телами в микро-, макро- и мегамире. Благодаря электромагнитным связям существуют атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения; им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др4.
По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий. Поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромагнитные взаимодействия являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, электромагнитное взаимодействие подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.
В отличие от гравитационной силы, электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле — между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное — между двумя движущимися заряженными частицами.
Рассмотрим два покоящихся точечных заряда q1 и q2. Взаимодействие между ними электрическое и определяется законом Кулона: В зависимости от знаков зарядов q1 и q2 сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей заряды, будет силой притяжения или отталкивания. Здесь черезобозначена постоянная, определяющая интенсивность электростатического взаимодействия, ее значение равно 8,85 • 10-12 Ф/м. Так, два заряда по 1 Кл, разнесенные на 1 м, будут испытывать силу 8,99 109 Н. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них — протона и электрона — одинакова: это универсальная постоянная е = 1,6 10-19 Кл. Заряд протона считается положительным, электрона — отрицательным .Электромагнитное взаимодействие - дальнодействующее взаимодействие, оно медленно спадает с увеличением расстояния между зарядами.
В данном виде взаимодействия переносчиком является элементарная частица называемая фотон. Он представляет собой – безмассовый бозон со спином 1. При взаимодействии одна взаимодействующая частица испускает фотон, и изменяется ее движение, другая взаимодействующая частица поглощает выпущенный фотон и также меняет состояние своего движения. В итоге этого взаимодействующие частицы как бы чувствуют друг друга.
4. Сильное взаимодействие
Сильное взаимодействие обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах и обеспечивает огромную прочность атомных ядер.
Взаимодействие, удерживающее ядро от распада должно быть достаточно сильным, так как ядра стабильны. Характерным признаком сильного взаимодействия служит его независимость от заряда, сила притяжения между протоном и нейтроном, и между нейтронами по существу одинакова.