Що таке слабке взаємодія у фізиці?
Слабка взаємодія - це одна з чотирьох фундаментальних сил, які керують усією матерією у Всесвіті. Решта три - сила тяжіння, електромагнетизм і сильневзаємодія. У той час як інші сили тримають речі разом, слабка сила грає велику роль в їх руйнуванні.
Слабка взаємодія сильніше гравітації, але воно ефективно тільки на дуже малих відстанях. Сила діє на субатомному рівні і відіграє вирішальну роль у забезпеченні енергією зірок і створенні елементів. Вона також відповідає за більшу частину природного випромінювання у Всесвіті.
теорія Фермі
Італійський фізик Енріко Фермі в 1933 р розробив теорію для пояснення бета-розпаду - процесу перетворення нейтрона в протон і витіснення електрона, який часто називають в цьому контексті бета-частинкою. Він визначив новий тип сили, так зване слабку взаємодію, яке відповідало за розпад, фундаментальний процес перетворення нейтрона в протон, нейтрино і електрон, який згодом був визначений як антинейтрино.
Відео: SciShow - Слабка взаємодія
Фермі спочатку припускав, що мало місце нульове відстань і зчеплення. Дві частинки повинні були стикатися, щоб сила працювала. З тих пір з`ясувалося, що слабка взаємодія насправді є силою тяжіння, яка проявляється на надзвичайно короткій відстані, рівному 0,1% діаметра протона.
електрослабкої сила
В радіоактивних розпадах слабка сила приблизно в 100 000 разів менше електромагнітної. Тим не менш, у даний час відомо, що вона внутрішньо дорівнює електромагнітної, і ці два явно різних явища, як вважають, є прояви єдиної електрослабкої сили. Це підтверджується тим, що вони об`єднуються при енергіях понад 100 ГеВ.
Іноді кажуть, що слабка взаємодія проявляється при розпаді молекул. Однак межмолекулрние сили мають електростатичну природу. Вони були виявлені Ван-дер-Ваальса і носять його ім`я.
стандартна модель
Слабка взаємодія у фізиці є частиною стандартної моделі - теорії елементарних частинок, яка описує фундаментальну структуру матерії, використовуючи набір елегантних рівнянь. Відповідно до цієї моделі елементарні частинки, т. Е. Те, що не можна розділити на більш дрібні частини, є будівельними блоками Всесвіту.
Відео: SciShow - Сильна взаємодія
Однією з таких частинок є кварк. Вчені не припускають існування чогось меншого, але вони все одно шукають. Існує 6 типів, або сортів кварків. Розмістимо їх у порядку зростання маси:
- верхній;
- нижній;
- дивний;
- зачарований;
- чарівний;
- істинний.
У різних комбінаціях вони утворюють безліч різноманітних видів субатомних частинок. Так, наприклад, протони і нейтрони - великі частки атомного ядра - складаються з трьох кварків кожен. Два верхніх і нижній складають протон. Верхній і два нижніх утворюють нейтрон. Зміна сорти кварка може змінити протон в нейтрон, тим самим перетворюючи один елемент в інший.
Іншим типом елементарних частинок є бозон. Ці частинки - переносники взаємодії, які складаються з пучків енергії. фотони є одним з видів бозона, глюони - іншим. Кожна з цих чотирьох сил є результатом обміну переносниками взаємодії. Сильна взаємодія здійснюється глюонів, а електромагнітне - фотоном. Гравітон теоретично є переносником сили тяжіння, але він не був знайдений.
W- і Z-бозони
Слабка взаємодія переноситься W- і Z-бозона. Ці частинки були передбачені лауреатами Нобелівської премії Стівеном Вайнбергом, Шелдоном Саламом і Абдусом Глешоу в 60-ті роки минулого столетья, а виявили їх у 1983 році в Європейській організації з ядерних досліджень ЦЕРН.
Відео: SciShow - Сильна взаємодія (частина 2)
W-бозони електрично заряджені і позначаються символами W+ (Позитивно заряджений) і W- (Негативно заряджений). W-бозон змінює склад частинок. Випускаючи електрично заряджений W-бозон, слабка сила змінює сорт кварка, перетворюючи протон в нейтрон або навпаки. Саме це викликає ядерний синтез і змушує зірки горіти.
Дана реакція створює більш важкі елементи, які, в кінцевому підсумку, викидаються в космос вибухами наднових, щоб стати будівельним матеріалом для планет, рослин, людей і всього іншого на Землі.
нейтральний ток
Z-бозон нейтральний і несе слабкий нейтральний струм. Його взаємодія з частками важко виявити. Експериментальні пошуки W- і Z-бозонів в 1960-і роки привели вчених до теорії, що поєднує електромагнітну і слабку силу в єдину «електрослабкої». Однак теорія вимагала від частинок-переносників бути невагомими, а вчені знали, що теоретично W-бозон повинен бути важким, щоб пояснити його малу дальність. Теоретики віднесли масу W на рахунок невидимого механізму, названого механізмом Хіггса, який передбачає існування бозона Хіггса.
У 2012 році ЦЕРН повідомив, що вчені, використовуючи найбільший в світі прискорювач - Великий адронний коллайдер - спостерігали нову частинку, «відповідну бозона Хіггса».
Бета-розпад
Слабка взаємодія проявляється при &beta - розпаді - процесі, в якому протон перетворюється в нейтрон і навпаки. Він відбувається, коли в ядрі з дуже великою кількістю нейтронів або протонів один з них перетворюється в інший.
Бета-розпад може здійснюватися одним з двох способів:
Відео: Елементарні частинки | слабка взаємодія
- При мінус-бета-розпад, іноді записуваному як &beta-&minus- -розпад, нейтрон розщеплюється на протон, антинейтрино і електрон.
- Слабка взаємодія проявляється при розпаді атомних ядер, іноді записуваному як &beta-+-розпад, коли протон розщеплюється на нейтрон, нейтрино і позитрон.
Один з елементів може перетворитися в інший, коли один з його нейтронів спонтанно перетворюється в протон через мінус-бета-розпад, або коли один з його протонів спонтанно перетворюється в нейтрон через &beta-+-розпад.
Подвійний бета-розпад відбувається, коли в ядрі 2 протона одночасно трансформуються в 2 нейтрона або навпаки, в результаті чого випромінюються 2 електрон-антинейтрино і 2 бета-частинки. У гіпотетичному безнейтринного подвійному бета-розпад нейтрино не утворюються.
Електронний захоплення
Протон може перетворитися в нейтрон за допомогою процесу, званого електронним захопленням або K-захопленням. Коли в ядрі є надлишок протонів по відношенню до числа нейтронів, електрон, як правило, з внутрішньої електронної оболонки як ніби падає в ядро. Електрон орбіталі захоплюється материнським ядром, продуктами чого є дочірнє ядро і нейтрино. Атомний номер отриманого дочірнього ядра зменшується на 1, але загальне число протонів і нейтронів залишається тим же.
термоядерна реакція
Слабка взаємодія бере участь в ядерному синтезі - реакції, яка постачає енергією сонце і термоядерні (водневі) бомби.
Першим етапом у злитті водню є зіткнення двох протонів з достатньою силою, щоб подолати взаємне відштовхування, яке відчувається ними через їх електромагнітної взаємодії.
Якщо обидві частки розташувати близько один до одного, сильна взаємодія може пов`язувати їх. Це створює нестабільну форму гелію (2He), який має ядро з двома протонами, на відміну від сталої форми (4Не), яка має два нейтрона і два протона.
На наступному етапі в гру вступає слабку взаємодію. Через надлишок протонів один з них зазнає бета-розпад. Після цього, інші реакції, включаючи проміжне утворення і злиття 3Нє, в кінцевому рахунку, утворюють стабільний 4Чи не.
