2. Виды взаимодействий и классы частиц
Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить, как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга. Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделить, кроме массы, электрического заряда и спина, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовых чисел), о которых будет речь идти ниже. В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое н гравитационное
Сильное взаимодействие. Этот вид
взаимодействия называют иначе ядерным,
так как оно обеспечивает связь нуклонов
в ядре. Интенсивность взаимодействия
принято характеризовать безразмерной
константой взаимодействия
.
Эта же константа характеризует вероятность
процессов, обусловленных данным
взаимодействием. Для сильных взаимодействий
.
Наибольшее расстояние, на котором
проявляется сильное взаимодействие
(радиус действия r),
составляет, как мы знаем, примерно 10-13
см. Частица, пролетающая со скоростью,
близкой к с, в непосредственной близости
к другой частице, будет взаимодействовать
с ней в течение времени
сек
. В соответствии с этим говорят, что
сильное взаимодействие характеризуется
временем взаимодействия
s,
порядка
сек.
Электромагнитное взаимодействие. Радиус
действия электромагнитного взаимодействия
не ограничен (
).Константа
взаимодействия равна
(1)
Следовательно, интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому для электромагнитного взаимодействия
(2)
Слабое взаимодействие. Слабое или
распадное взаимодействие ответственно
за все виды
-распадов
ядер (включая К-захват), за многие
распады элементарных частиц, а также
за все процессы взаимодействия нейтрино
с веществом. Слабое взаимодействие, как
и сильное, является короткодействующим.
Константа взаимодействия
.
Следовательно, время взаимодействия
сек.
Гравитационное взаимодействие. Радиус
действия неограничен (
).
Константа взаимодействия крайне мала:
.
Соответственно время взаимодействия
составляет
лет.
Гравитационное взаимодействие является
универсальным, ему подвержены все без
исключения элементарные частицы. Однако
в процессах микромира гравитационное
взаимодействие ощутимой роли не играет.
Значения и для разных видов взаимодействия сопоставлены в таблице 1.
Таблица 1 – Разные виды взаимодействия
В соответствии с характером взаимодействий, в которых они способны участвовать, элементарные частицы делятся на три класса.
1. Фотоны,
(кванты электромагнитного поля). Эти
частицы участвуют в электромагнитных
взаимодействиях, но не обладают сильным
и слабым взаимодействиями.
2. Лептоны (греческое «лептос» означает
легкий). К их числу относятся частицы,
не обладающие сильным взаимодействием:
мюоны (
),
электроны (
)
и нейтрино (
).
Все лептоны имеют спин, равный
.
Такие частицы подчиняются статистике
Ферми – Дирака (учитывающей принцип
Паули), вследствие чего называются
фермионами. Все лептоны обладают слабым
взаимодействием. Те из них, которые
имеют электрический заряд (то есть мюоны
и электроны), обладают также электромагнитным
взаимодействием
3. Адроны (греческое «адрос» означает крупный, массивный). Этот класс включает в себя все сильно взаимодействующие частицы. Наряду с сильным эти частицы обладают также слабым и электромагнитным взаимодействиями. Адроны подразделяются на две подгруппы: мезоны и барионы.