Слабо ядрено взаимодействие

от Уикипедия, свободната енциклопедия
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. В слабото взаимодействие участват всички основни фермиони (лептони и кварки) и техните античастици. То е отговорно за радиоактивния разпад на субатомните частици, както и за процеса, известен като ядрен синтез в звездите. Слабото взаимодействие засяга всички известни фермиони, т.е. частици, чийто спин (собствена характеристика на всички частици) е половин цяло число.

В Стандартния модел на физиката на елементарните частици съществува теория, според която появата на слабото взаимодействие се причинява от замяната (емисионна или на поглъщане) на W и Z бозони, и тъй като е следствие от емисии (или поглъщане) на бозони, се явява безконтактна сила. Най-известният ефект от тази емисия е бета разпад, форма на радиоактивност. Z и W бозоните са много по-тежки от протоните и неутроните и това се явява причина за малкия диапазон на действие на слабото взаимодействие. То се нарича слабо, тъй като напрегнатостта на полето е с няколко порядъка по-малка от тази на електромагнетитното поле или полето, създадено от силната ядрена сила. Повечето частици се разпадат посредством слабо взаимодействие с течение на времето.[1]

Слабото взаимодействие първоначално е описано през 1930 г. от теорията на Ферми. Сега е най-добре описвана като поле, като обхват, макар и с много малък обсег. През 1968 г. електромагнитната сила и слабите взаимодействия са обединени, когато те се оказват два аспекта на една и съща сила, наречена електрослабо взаимодействие.[2]

Слабите взаимодействия са най-забележими, когато частиците са подложени на бета разпад или в производството на деутерий и хелий от водород, като например в термоядрения процес на Слънцето. Радиоактивният разпад прави възможно също така радиовъглеродното датиране, тъй като въглерод-14 се разпада през слабото взаимодействие на азот-14. Може да създаде радиолюминесценция, която често се използва в тритиевото осветление.[3]

Свойства[редактиране | edit source]

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[4]) тези частици-преносители, наречени W и Z бозони, са краткотрайни: те имат живот от под 10-24 секунди [5] Слабото взаимодействие има показател за взаимодействие между 10 -7 и 10 -6, в сравнение с тази на силното взаимодействие която е около 1; [6] 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.[7] 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).[8] 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.[8] 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.[9]

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.[10] 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.[11]

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.[12] От друга страна, свободен неутрон (който се разпада през слабото взаимодействие) живее около 15 минути.[11]

Връзка с електромагнитното взаимодействие[редактиране | edit source]

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 с Нобелова награда за физика за 1999 година за изясняване на квантовата структура на електрослабите взаимодействия.

Източници[редактиране | edit source]

  1. Слабо взаимодействие
  2. http://www.particleadventure.org/electroweak.html Electroweek, Particle adventure
  3. The Nobel Prize in Physics 1979: Press Release. // NobelPrize.org. Nobel Media. Посетен на 22 March 2011.
  4. W.-M. Yao et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics: Quarks. // Journal of Physics G 33. 2006. DOI:10.1088/0954-3899/33/1/001. с. 1.
  5. Peter Watkins. Story of the W and Z. Cambridge, Cambridge University Press, 1986. ISBN 9780521318754. с. 70.
  6. Coupling Constants for the Fundamental Forces. // HyperPhysics. Georgia State University. Посетен на 2 March 2011.
  7. Electroweak. // The Particle Adventure. Particle Data Group. Посетен на 3 March 2011.
  8. а б J. Christman. The Weak Interaction. // Physnet. Michigan State University, 2001.
  9. Gauge Theory of Weak Interactions. Springer, 2009. с. 2.
  10. Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.29
  11. а б Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.28
  12. Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p.30