Слабо ядрено взаимодействие

от Уикипедия, свободната енциклопедия
(пренасочване от Слабо взаимодействие)
Направо към: навигация, търсене
Серия статии на тема

Ядрена физика

Deuterium-tritium fusion.svg
Радиоактивност
Ядрено делене
Термоядрен синтез

Слабото ядрено взаимодействие (понякога наричано само слабо взаимодействие) е едно от четирите фундаментални взаимодействия във физиката заедно с електромагнитното, силното ядрено взаимодействие и гравитацията.

То представлява механизъм на взаимодействие между съставните частици на атомите, който предизвиква радиоактивен разпад и по този начин играе централна роля в ядреното делене. Теорията на слабото взаимодействие понякога е наричана квантова флаводинамика (аналогично на квантовата хромодинамика при силното и квантовата електродинамика при електромагнитното взаимодействие), но това понятие се използва рядко, тъй като слабото взаимодействие се описва по-добре чрез теорията за електрослабото взаимодействие.[1]

Слабото взаимодействие се проявява само на много малки, податомни разстояния, по-малки от диаметъра на един протон.

Общи сведения[редактиране | редактиране на кода]

Стандартният модел във физиката на елементарните частици задава обща рамка за разбиране на електромагнитното, слабото и силното ядрено взаимодействие. Според нея взаимодействията възникват, когато две частици, обикновено, но не задължително фермиони с полуцял спин, обменят притежаващи целочислен спин и пренасящи силата бозони. Фермионите, участващи в такива обмени, могат да бъдат както елементарни (например, електрони или кварки), така и композитни (например, протони или неутрони), въпреки че на по-дълбоко ниво всички слаби взаимодействия се осъществяват между елементарни частици.

В случая със слабото ядрено взаимодействие фермионите могат да обменят три различни вида силови носители – W+, W- и Z бозони. Масата на всеки от тези бозони е много по-голяма от тази на протон или неутрон, което съответства на малкия обхват на слабото взаимодействие. То се нарича „слабо“, защото неговата интензивност на дадено разстояние обикновено е в няколко порядъка по-малка от тази на силното ядрено взаимодействие или на електромагнитните сили.

Кварките, които образуват съставните частици, като неутрони и протони, могат да бъдат шест вида – горен, долен, странен, чаровен, дънен и топ – които придават на тези съставни частици техните свойства. Уникална характеристика на слабото взаимодействие е, че то дава възможност на кварките да променят вида си. Тази промяна се извършва с помощта на носещите силата бозони. Например, при бета минус-разпада долен кварк в неутрона се променя в горен кварк, като по този начин неутронът се превръща в протон и се отделя един електрон и едно електронно антинеутрино. Освен това слабото взаимодействие е единственото фундаментално взаимодействие, което нарушава четността, както и единственото, което нарушава комбинираната четност.

Други важни примери за явления, свързани със слабото ядрено взаимодействие, са бета разпада и преобразуването на водород в деутерий, което захранва термоядрения процес на Слънцето. Повечето фермиони с времето се разпадат под действието на слабото взаимодействие. Този разпад прави възможно радиовъглеродното датиране, като въглерод-14 се разпада чрез слабото взаимодействие до азот-14. То може да предизвиква и радиолуминесценция, често използвана в тритиевото освтление и свързаната област на бетаволтаичните устройства.[2]

В кварковата епоха на ранната Вселена електрослабите сили се разделят на електромагнитни и слаби ядрени сили.

История на изследванията[редактиране | редактиране на кода]

През 1933 година италианският физик Енрико Ферми предлага първата теория за слабото ядрено взаимодействие, наричано в нея взаимодействие на Ферми. Тя разглежда бета разпада като взаимодействие между четири фермиона, включващо контактна сила с нулев обхват.[3][4] По-късно теорията е модифицирана, като силата започва да бъде разглеждана като безконтактно поле с краен, макар и много малък, обхват. Заложеното в теорията съществуване на калибровъчни W и Z бозони е потвърдено емпирично през 1983 година.

През 1968 година Шелдън Глашоу, Абдус Салам и Стивън Уейнбърг предлагат теория, обединяваща електромагнитната сила и слабите взаимодействия, разглеждайки ги като два аспекта на едно и също фундаментално взаимодействие, наричано електрослабо взаимодействие.[5]

Свойства[редактиране | редактиране на кода]

Диаграма на Файнман за бета разпад

Слабото взаимодействие е уникално в много отношения:

  • Това е единственото взаимодействие в състояние да измени аромата на кварки (т.е. промяна на един вид кварк в друг).
  • Това е единственото взаимодействие, което спонтанно нарушава симетрията на вакуумното състояние, така наречените P и CP симетрии.
  • Пренася се от частици, които имат значителни маси (наречени калибровъчни бозони), необичайна особеност, която е обяснена в стандартния модел от Хигс механизма.

Поради голямата си маса (около 90 GeV/c2[6]) тези частици-преносители, наречени W и Z бозони, са краткотрайни: те имат живот от под 10-24 секунди[7] Слабото взаимодействие има показател за взаимодействие между 10 -7 и 10 -6, в сравнение с тази на силното взаимодействие която е около 1;[8] следователно слабото взаимодействие е слабо от гледна точка на сила. Нарича се слабо, защото другите две взаимодействия, имащи значение за ядрената физика – (силното и електромагнитното) – имат значително по-голям интензитет.[5] В същото време то е значително по-силно от четвъртото фундаментално взаимодействие, гравитационното.

Диаграма на маса и заряд на 6-те кварки в стандартния модел, и различните пътища на разпад, дължащ се на слабото взаимодействие.

Слабото взаимодействие действува на много къси разстояния – то се проявява на разстояния, значително по-малки от размера на атомното ядро (характерният радиус на взаимодействие е 10−18 m, т.е. с 3 порядъка по-малък от този на силното взаимодействие – 10 -15 m).[9] Друга характерна черта при слабото взаимодействие е сравнително голямото време на живот на частиците – около 10 -10 s (за сравнение при силното взаимодействие то е 10 -24 s, а при електромагнитното – 10 -21 s).

В слабото взаимодействие участват всички фундаментални фермиони от стандартния модел (лептони и кварки), както и хипотетичния Хигс бозон. Това е единственото взаимодействие, в което участва неутрино, с което се обяснява и колосалната проникваща способност на тези частици.[9] В процеса на слабото взаимодействие лептоните, кварките и техните античастици си обменят енергия, маса, електрически заряд и квантови числа и се превръщат една в друга. Слабото взаимодействие не води до свързани състояния или енергия на свързване, нещо, което е характерно за гравитацията в астрономически мащаби, за електромагнитната сила на атомно ниво и за силаната ядрена сила в ядрата на атомите.[10]

Най-забележителният ефект на слабото взаимодействие се дължи на уникалната му функция: да променя аромата на кварките. Един неутрон например е по-тежък от протона (неговият сестрен нуклон), но не може да се разложи на един протон без да промени аромата на един от двата си долни кварка на горен. Нито силното взаимодействие, нито електромагнетизма позволяват такава промяна, така че това трябва да се извърши чрез слабото взаимодействие, без него качества като странност и очарование (свързани с кварките със същото име) също ще бъдат запазени във всички взаимодействия. Всички мезони са нестабилни поради слабото взаимодействие.[11] В процеса, познат като бета разпад, един долен кварк в неутрона може да се превърне в един горен кварк чрез излъчване на виртуална частица W - бозон, който се превръща след това в електрон и електронно антинеутрино.[12]

Поради големата маса на бозона, слабото взаимодействие е много по-малко вероятно от силното или електромагнитното, и по този начин се проявява по-бавно. Например, един неутрален пион (което се разпада електромагнитно) има живот от около 10−16  секунди, докато пион при слабото взаимодействие живее около 10−8  секунди, сто милиона пъти по-дълго.[13] От друга страна, свободен неутрон (който се разпада през слабото взаимодействие) живее около 15 минути.[12]

Връзка с електромагнитното взаимодействие[редактиране | редактиране на кода]

Стандартният модел във физиката на елементарните частици описва електромагнитното взаимодействие и слабото взаимодействие като две различни проявления на единното електрослабо взаимодействие, чиято теория е разработена около 1968 година от Стивън Уайнберг, Абдус Салам и Шелдън Глашоу. Тя се основава на проведени експерименти в ЦЕРН с реакции, в началното и крайното състояние на които присъстват едни и същи частици, а взаимодействието е слабо, защото в него участва и неутрино. Този тип реакции потвърждават хипотезата на Глашоу, Салам и Уайнберг, според която слабото и електромагнитното взаимодействие могат да бъдат обединени в едно, ако се предположи, че носители на слабото взаимодействие са 3 масивни бозона: W ± и Z 0, а на електромагнитното е безмасовият фотон. Експерименталното откриване на W ± и Z 0 бозоните през 1983 г. представлява триумф за теорията на електрослабото взаимодействие. За тази си работа тримата са удостоени с Нобелова награда за физика за 1979 година.

В съвременната теория слабото взаимодействие се описва с квантова теория на полето с калибровъчна група SU(2)×U(1) и спонтанно нарушение на симетрията на вакуумното състояние, дължаща се на действието на бозона на Хигс. Мартинус Велтман и Герардус 'т Хоофт са удостоени с Нобелова награда за физика за 1999 година за изясняване на квантовата структура на електрослабите взаимодействия.

Бележки[редактиране | редактиране на кода]

Цитирани източници