Характеристики фундаментальных взаимодействий
|
Взаимодействие |
Радиус действия |
Конст. взаимдств. |
|
Гравитационное |
Бесконечно большой |
6.10-39 |
|
Электромагнитное |
бесконечно большой |
1/137 |
|
Слабое |
не превышает 10-16 см |
10-14 |
|
Сильное |
не превышает 10-13см |
1 |
Сильное взаимодействие
Сильные взаимодействия - обусловливают различные ядерные реакции, а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядрах. Этот вид взаимодействий обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 10. Сильные взаимодействия определяют процессы, происходящие с барионами, а также пионами и каонами.
Электромагнетизм
По величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого и гравитационного взаимодействия электромагнитные силы можно наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молний и т. д.).
В течение долгого времени электромагнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в объединении электричества и магнетизма сделал Максвелл, объединившие электричество и магнетизм в единую теорию поля.
Существование электрона было твердо установлено в 90-е годы 19 века. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электро-магнитным связаны только заряженные частицы. Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрический заряд, одноименно магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются. В отличие от электрического заряда магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами северный и южный.
Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой как южный. Еще с древности известны попытки путем разделения магнита получить один магнитный монополюс, но такие попытки не удавались. Однако, некоторые современные теории допускают возможность существования электрической и магнитной силы (как и гравитация) являющейся дальнодействующей, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи – мегамире, макро- и микромире. И подчиняется они закону обратных квадратов.
Электромагнитное поле земли простирается далеко в пространство, магнитное поле заполняет всю солнечную систему; существуют электромагнитные галактические поля. Электромагнитное взаимодействие определяет так же структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических процессов (за исключением ядерных) к нему сводятся все обычные свойства; силы упругости, силы поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления.
Слабое взаимодействие
К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распад частиц. Оно значительно меньше всех видов взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии больше 10-16 см от источника; поэтому оно не может влиять на макроскопические объекты, и определяется микромиром, субатомными частицами. Когда лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то выяснилось, что большинство из них участвует в слабом взаимодействии.
Теория слабого взаимодействия была создана в к. 60-х годов. С момента построения Макссвелом теории электромагнитного поля, создание данного поля стало крупным шагом на пути к единству физики.
Гравитация
Гравитация одна из 4-х физических взаимодействий. Созданная в 17 веке ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитона как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других Наиболее удивительной особенностью является ее малая интенсивность
Гравитационное взаимодействие в 10 39 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?
Все дело во второй удивительной черте гравитации, ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частичка испытывает на себе действие гравитации, и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение.
Гравитация возрастает по мере образований все больших скоплений вещества.
Эволюция элементарных частиц
Элементарными частицами называются такие частицы, которым нельзя приписать внутренней структуры, являющейся простым соединением стабильных частиц. При взаимодействии с другими частицами и полями элементарная частица ведет себя как единое целое. Термин «элементарная» частица, по сути, имеет уловный характер.
В области энергий меньших 2m0 c 2 (m0 – масса покоя частицы), структура элементарных частиц не влияет на взаимодействие между ними и другими частицами и полями. В этих случаях элементарные частицы рассматриваются как бесстуктурные материальные точки, обладающие рядом свойств: массой покоя, электрическим зарядом, спином, преобладающей схемой распада и другими свойствами. Представление о точечной элементарной частице согласуется с требованиями теории относительности. Протяженная конечных размеров элементарная частица, которая является единым целым, не должна деформироваться, иначе будут возможны независимые движения ее отдельных частей. Но это означает, что внешнее воздействие на элементарную частицу должно мгновенно передаваться от одних ее частей к другим, что противоречит теории относительности.
Бесструктурная заряженная элементарная частица обладает бесконечным потенциалом и бесконечной потенциальной энергией. В современной физике элементарных частиц разрабатываются различные методы введения неточных взаимодействий, которые устраняют «бесконечности» точечных частиц, вводят определенные структуры элементарных частиц, не противоречащие теории относительности. Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся своими свойствами и характером взаимодействия друг с другом.
В основе классификации элементарных частиц лежат их различия по массе покоя: Элементарные частицы делятся на две категории: кварки (частицы с дробным электрическим зарядом) и лептоны (легкие частицы). Из кварков образуются барионы (тяжелые частицы, такие трехкварковые частицы, как протон и нейтрон), которые подразделяются на нуклоны и гипероны, мезоны (средние, промежуточные частицы, состоящие из пары кварк-антикварк). Примером лептона является электрон. Различия между кварками и лептонами соответствуют изменению типа симметрии. Первоначально полагали, что элементарные частицы неизменны и неродственны. Теперь же есть основания думать (и имеются эксперёиментальные подтверждения, полученные в лабораториях, где наблюдались взаимные превращения элементарных частиц), что они образованы ранее существовавшими частицами и происходят от них. В самом начале существования Вселенной (до момента 10-9 секунды, если все же пытаться говорить о времени в этот период) возникли кварки, антикварки, позитроны, тау-лептоны, нейтрино, фотоны и другие, которые непрерывно и очень быстро превращались друг в друга. На эту эволюцию были наложены ограничения, определяемые симметрией возникающих объектов, которые позволяли процессу идти только определенным образом. По значению спина элементарные частицы подразделяются на частицы с полуцелым, целым или нулевым спином (в единицах h). В зависимости от значения спина ансамбли частиц подчиняются различным квантовым статистикам.
По времени жизни элементарные частицы подразделяются на стабильные и нестабильные, характеризуемые временем жизни частицы и преимущественной схемой распада.
Изменчивость свойств различных получающихся частиц была обусловлена тем, что были возможны различные комбинации исходных. Изменение свойств от частицы к частице происходит не непрерывно, а скачком, что как раз и связано с переходом от одного типа симметрии к другому. В последующий период большую роль играло существование неизменного реликтового излучения, воздействовавшего на дальнейшие процессы как постоянный фактор.
Кроме того существует большое количество частиц, называемых резонансами. Они имеют времена жизни, характерные для сильных взаимодействий ряд характеристик частиц, энергии и импульсы, опрделенные реакции распада. Все это позволяет считать резонансы особыми частицами.
Энергия связи ядер. Дефект массы
Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их собственных состояний. За исключением ядра обычного водорода во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное, сильное взаимодействие – притяжение – обеспечивающее устойчивость ядер, несмотря на взаимное отталкивание одноименно заряженных протонов.
Массу ядер очень точно можно определить с помощью масс –спектрометров - измерительных приборов, разделяющих с помощью электрических и магнитных полей пучки заряженных частиц с разными удельными зарядами. Масс-спектрометрические измерения показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Но так как всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, то следовательно, при образовании ядра должна выделяться определенная энергия.
Энергия, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра.
Энергия связи нуклонов в ядре
2
-
где
- соответственно массы протона, нейтрона
и ядра.
В
таблицах обычно приводятся не массы
ядер,
а массы m
атомов. Поэтому для энергии связи ядра
пользуются формулой
2
где
-масса
атома водорода. Так как
больше
на
величину
,
то
первый член в квадратных скобках включает в себя массу Z электронов, то вычисления по данным формулам приводят к одинаковым результатам. Величина
называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра.
Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.
При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи.
Спин ядра и его магнитный момент.
Ядерные силы
Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).
Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами порядка
10-15 Длина (1,5 – 2,2) 10-15 называется радиусом действия ядерных сил.
Строгой теории, объясняющей природу и закономерности ядерных сил, не существует. Одной из простейших теорий является обменная трактовка ядерных сил (обменный характер ядерных сил). В основе ее лежит идея о том, ч то взаимодействие между двумя частицами осуществляется благодаря обмену третьей частицей. В обменной теории ядерных сил считается, что взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется путем обмена особыми частицами – пионами, обладающими массой покоя mp .