mozok.click » Фізика » Види взаємодій
Інформація про новину
  • Переглядів: 53
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:59
12-02-2018, 22:59

Види взаємодій

Категорія: Фізика

Типи фізичних взаємодій у природі. У попередньому параграфі ми зазначили, що взаємодія між елементарними частинками носить специфічний характер і має назву слабкої. Щоб зрозуміти механізм слабкої взаємодії, пригадаємо інші відомі нам типи взаємодій і їх характер.

Вивчаючи механіку, ми ознайомились із гравітаційною взаємодією (силами всесвітнього тяжіння) і деякими проявами електромагнітної взаємодії (силами пружності, тертя). В електродинаміці ми вивчили електромагнітну взаємодію, а в ядерній фізиці - сильну (ядерну).

Щоб зрозуміти характер слабкої взаємодії, звернімося ще раз до електромагнітної. На самому початку вивчення електродинаміки ми з’ясували, що електричні сили діють на відстані. Посередником, що передає взаємодію є поле. Можна стверджувати, що сила, з якою одна заряджена частинка діє на іншу, зумовлена електричним полем, що його створює перша частинка. Аналогічним способом магнітне поле є посередником магнітних сил.

Згодом ми з’ясували, що електромагнітні поля можуть поширюватись у вигляді хвиль у просторі, а також, що світлу властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм. У результаті можна пояснити електромагнітну взаємодію між зарядженими частинками 1) як взаємодію через поле і 2) як обмін фотонами між частинками.

На мал. 304 наочно зображено, як у результаті обміну частинками відбувається взаємодія. На мал. 304, а діти кидають один одному м’яч. Упіймавши м’яч, хлопчик відкочується назад. Це ілюстрація сили відштовхування. Якщо діти намагаються вирвати кільця із рук один одного (мал. 304, б), то кожен тягне партнера до себе. Це ілюстрація сили притягання.

Подібним чином може відбуватися електромагнітна взаємодія між зарядженими частинками: одна із заряджених частинок випромінює фотон і зазнає внаслідок цього віддачі. Інша частинка поглинає фотон. При такій взаємодії відбувається передача енергії та імпульсу від однієї частинки до іншої, і посередником при цьому є фотон.



У 1935 р. японський фізик Хідекі Юкава (1907-1981) висловив припущення, що подібним чином відбувається і сильна взаємодія між нуклонами у ядрі. Частинка, яка є посередником сильної взаємодії, повинна мати масу проміжного значення між масою протона та електрона, тому Юкава назвав її мезоном. Оскільки у випадку електромагнітної взаємодії фотон ніяк себе не виявляє, а його можна спостерігати лише у вільному стані, мезон також намагались шукати у вільному стані серед космічних променів. У 1937 р. вдалось виявити частинку, яка за масою збігалася з теоретично передбачуваною. Проте, як з’ясувалось, ця частинка не виявляє сильної взаємодії, а отже, і не може бути її посередником. Цю частинку назвали мю-мезоном (або мюоном). Існує два їх різновиди р+ та р".

Дивною властивістю мюона є його повна схожість з електроном в усьому, крім маси. Мюон у 207 разів важчий за електрон. Цей «важкий електрон» може навіть на деякий час зайняти місце електрона в атомі, обертаючись дуже близько від ядра. При розпаді мюонів утворюються електрони, позитрони і по два нейтрино - електронне і мюонне,

Передбачувана Юкавою частинка була виявлена у 1947 р. і отримала назву пі-мезон (піон), до того ж, як виявилось, піони бувають трьох видів, які відрізняються зарядовим станом: л+;я"; к° . Всі три піони беруть участь у сильній взаємодії. Подальші ж дослідження показали, що посередником сильної взаємодії є глюони.

Таким чином, природно припустити, що мають існувати посередники слабкої та гравітаційної взаємодій. Пошук таких частинок тривав десятиліттями. У 1983 р. Карло Руббіа заявив про довгоочікуване відкриття бозонів - частинок, через які відбуваються слабкі взаємодії.

Пошук квантів гравітаційного поля - гравітонів поки що не дав результатів.

Властивості відомих на цей час основних типів взаємодій зведено в таблиці.


 

Тип взаємодії

Характер взаємодії

Відносна

інтенсивність

взаємодії1

Радіус дії

Квант взаємодії

Сильна

Забезпечує зв’язок нуклонів у ядрі

Мезони/

глюони

Електро

магнітна

Взаємодія між електрично зарядженими частинками

Фотон

Слабка

Взаємодія, яка проявляється у розпадах частинок, а також у дії нейтрино на речовину

Бозони

Г равіта-ційна

Універсальна взаємодія, властива усім без винятку частинкам, які мають масу (у мікросвіті суттєвої ролі не відіграє).

Гравітон (?)

1 Інтенсивність взаємодій характеризують за допомогою так званої константи взаємодії, яка є безрозмірним параметром, що визначає ймовірність процесів, зумовлених цією взаємодією. Відношення значень констант дає відносну інтенсивність відповідних взаємодій.

Фізики ставлять задачу створити теорію, яка б об’єднала всі типи взаємодій, пояснивши їх з єдиної точки зору. Ця ідея випливає зі сприйняття оточуючого нас світу як єдиного цілого. Задача ця надзвичайно складна. Ейнштейн у свій час затратив багато років (40 останніх років свого життя), щоб об’єднати гравітаційну та електромагнітну взаємодії, проте це йому не вдалося.

На початку 60-х років американські фізики С. Вайнберг і Ш. Глешоу та пакистанський фізик А. Салам запропонували так звану калібрувальну теорію, яка об’єднує слабку та електромагнітну взаємодії. У цій теорії слабка і електромагнітна взаємодії розглядаються як два різні прояви єдиної, більш фундаментальної взаємодії. У ній фотони - посередники електромагнітної взаємодії розглядаються як векторні бозони. А проміжні бозони: W^-бозон, W-бозон та Z°-6o30H (нестабільні частинки, час життя яких 3-10 25 с) є посередниками слабкої взаємодії.

Згідно з цією теорією процес p-розпаду має відбуватись за участі проміжних бозонів. Наприклад, розглядуваний нами р~-розпад насправді є двоступеневим процесом:


Створення теорії електрослабкої взаємодії було відзначено присудженням С. Вайнбергу, Ш. Глешоу, і А. Саламу Нобелівської премії з фізики за 1979 р.

За видами взаємодій елементарні частинки поділяють на такі групи:

Адрони - частинки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків.

Лептони - частинки, які мають вид точкових частинок аж до розмірів порядку 1(Г18 м. Не беруть участі в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалася тільки для заряджених лептонів. Відомі 6 типів лептонів.

Адрони і лептони утворюють речовину.

Калібрувальні бозони - це кванти різних видів випромінювання, які є посередниками взаємодій:

фотон - частинка, що переносить електромагнітну взаємодію; вісім глюонів - частинок, що переносять сильну взаємодію; три проміжні векторні бозони W4, W і Z0, що переносять слабку взаємодію;

гравітон - частинка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, поки не доведено експериментально у зв’язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, проте вважається цілком достовірним.

Закони збереження у мікросвіті. Кожна елементарна частинка характеризується набором дискретних квантових чисел, що визначають її специфічні властивості. Масу елементарних частинок виражають числом, кратним масі електрона; електричний заряд - в одиницях, кратних заряду електрона; спін - кратний значенню сталої Планка. Для кількісного опису поведінки елементарних частинок вводять ще й такі квантові числа: баріонний та лептонний заряди; дивність, ізотонічний спін; час життя; магнітний момент; парність.

Елементарні частинки можуть перетворюватись одна в одну при взаємодіях, можуть народжуватись, поглинатись й розпадатись. Ці процеси відбуваються лише за певних умов згідно із законами збереження. Закони збере

ження у фізиці елементарних частинок відіграють основну роль, оскільки для елементарних частинок не існує рівнянь, які б описували їх рух. Для елементарних частинок закони збереження можна поділити на три групи: 1) закони збереження, пов’язані з геометрією чотиривимірного простору-часу; 2) закони збереження зарядів (електричного, баріонного, лептонних); 3) наближені закони збереження, які виконуються лише для деяких фундаментальних взаємодій.

Дайте відповіді на запитання

1. Які типи фундаментальних взаємодій ви знаєте ?

2. Що загального можна сказати про механізм усіх фундаментальних взаємодій ?

3. Що є носієм гравітаційної взаємодії ?

4. За допомогою чого здійснюється електромагнітна взаємодія між зарядженими частинками і що є посередником цієї взаємодії ?

5. За рахунок чого здійснюється взаємодія між протонами і нейтронами у разі сильної взаємодії?

6. Яку роль відіграють закони збереження у фізиці елементарних частинок?



^