Какие силы определяют взаимодействие заряженных частиц

Введение

Атом водорода является простейшим по своей структуре. Как известно атом водорода имеет ядро, состоящее из одного протона, и одного электрона, расположенного на 1s-орбитали. Поскольку протон и электрон имеют разноименный заряд, то между ними действует сила Кулона. Также известно, что ядра атомов имеют собственный магнитный момент и следовательно собственное магнитное поле. При движение заряженных частиц в магнитном поле на них действует сила Лоренца, которая направлена перпендикулярно вектору скорости частицы и вектору магнитной индукции. Очевидно, что силы Кулона и силы Лоренца недостаточно, для того чтобы электрон оставался на своей орбитали, необходима также сила отталкивания между электроном и протоном. Современные квантовые представления не дают четкого ответа, чем конкретно вызвана квантованность орбиталей и следовательно энергий электрона в атоме. В рамках данной стать мы и рассмотрим причины квантования и получим уравнения описывающие поведения электрона в атоме. Напомню, что по современным представлениям положение электрона в атоме описывается вероятностным уравнение Шредингера. Мы же получим чисто механическое уравнение, которое даст возможность определить положение электрона в любой момент времени, что покажет несостоятельность принципа Гейзенберга.

Классическая теория тяготения Ньютона

Английский физик Исаак Ньютон рассказывал, что идея о всемирном тяготении пришла ему в голову на прогулке. Он шел по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел Луну в дневном небе, а затем — как с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Ньютон к тому моменту уже работал над законами движения и понимал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Он также знал, что Луна не занимает статичную позицию в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, то есть, на нее воздействует какая-то сила, которая не дает спутнику улететь в космос. Физик понял, что, возможно, на яблоко и Луну действует одна и та же сила.

Предшественники Ньютона рассуждали иначе. Итальянский физик Галилео Галилей считал, что на Земле действует природное притяжение. Немецкий астроном Иоганн Кеплер полагал, что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, чем на Земле. Ньютон же объединил эти два типа гравитации в своем сознании.

Закон всемирного тяготения Ньютона, сформулированный им в 1687 году, гласит, что между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Он выражен математическим уравнением: если M и m — массы двух тел, а r — расстояние между ними, тогда сила F взаимного гравитационного притяжения между ними равна F = GMm/r², где G — гравитационная постоянная, равная силе, с которой действуют друг на друга тела с массами в 1 кг каждое, находясь на расстоянии в 1 метр друг от друга. Уравнение гласит, что сила (F) пропорциональна массам двух объектов, разделенным на квадрат расстояния между ними. Из него следует, что чем массивнее объекты, тем больше сила притяжения между ними, но чем дальше они друг от друга, тем слабее притяжение.

Закон гравитации Ньютона

(Фото: praxilabs.com)

Действие закона распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. Сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. На каждого человека действует сила земного притяжения, которая ощущается как вес.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что не только Земля притягивает яблоко, но и яблоко притягивает Землю. Но огромная масса Земли означает, что требуется гораздо больше силы, чтобы сдвинуть ее на ощутимую величину, поэтому яблоко падает, а Земля остается практически неподвижной. То же самое верно и в более широком контексте. Каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект, и чем он ближе и массивнее, тем больше его гравитационная сила.

По Ньютону, сила притяжения действует на любых расстояниях и мгновенно. Однако самая большая скорость в мире — скорость света, а для преодоления больших расстояний свету нужно не мгновение, а несколько секунд и иногда даже лет.

2.2 Слабое взаимодействие

Цитата из мировой Википедии «Слабое ядерное взаимодействие — фундаментальное взаимодействие, ответственное, в частности, за процессы бета-распада атомных ядер и слабые распады элементарных частиц, а также нарушения законов сохранения пространственной и комбинированной чётности в них. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики и физики высоких энергий (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного.
Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 2·10-18 м).
Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны W+, W— и Z. При этом различают взаимодействие так называемых заряженных слабых токов и нейтральных слабых токов. Взаимодействие заряженных токов (при участии заряженных бозонов W±) приводит к изменению зарядов частиц и превращению одних лептонов и кварков в другие лептоны и кварки. Взаимодействие нейтральных токов (при участии нейтрального бозона Z) не меняет заряды частиц и переводит лептоны и кварки в те же самые частицы.«

А теперь, правда. Доказательствами существования в природе слабого фундаментального взаимодействия физика по-прежнему НЕ располагает — нам подсовывают математическую СКАЗКУ и хотят, чтобы мы ее приняли на веру.

Утверждение о том, что слабое взаимодействия якобы проявляется на расстояниях 2·10-18 м – это сказка. Элементарные частицы не являются точечными объектами – для сжатия электромагнитных полей элементарных частиц потребуется энергия. Так линейные размеры нейтрона (якобы распадающегося по слабому взаимодействию) на два порядка выше характерного радиуса взаимодействия – это что: в одном крохотном участке нейтрона слабое взаимодействие действует, а в соседних участках уже нет? Известные физике элементарные частицы с ненулевой величиной массы покоя обладают линейными размерами, превосходящими характерный радиус слабого взаимодействия, многие значительно – тогда что и с чем так «взаимодействует».

Законы природы потому и являются законами, что они существуют объективно и работают. А если что-то нарушается, то значит это НЕ закон природы, а некоторая математическая абстракция, подсовываемая нам в качестве якобы закона природы.

Более точное название группы элементарных частиц W+, W— и Z — не векторные бозоны, а векторные мезоны. В природе имеется группировка элементарных частиц с целым спином: векторных мезонов, часть из которых нам подсовывают в качестве переносчиков слабого взаимодействия. У данной искусственно выбранной группки векторных мезонов спин равен единице. Каждая элементарная частица из векторных мезонов, в том числе и нейтральная, обязательно имеет собственную античастицу, отличающуюся знаком электрического заряда (для заряженных частиц) и знаком магнитного момента (для нейтральных частиц). У W+ векторного мезона имеется такая античастица: W— векторный мезон. Аналогично и Z векторный мезон имеет собственную античастицу. Но если Z векторный мезон переносит слабое взаимодействие, то за какое взаимодействие в природе отвечает его античастица — за Анти-слабое? Но ведь такого взаимодействия еще не выдумали. Ну а если античастица также отвечает за слабое, то зачем природе дублирование части «переносчиков» взаимодействия.

Переносчиков слабого взаимодействия в природе НЕТ — в природе имеется группировка элементарных частиц с целым спином: векторных мезонов, которые нам подсовывают в качестве этих переносчиков. Физика уже экспериментально открыла около 10 таких элементарных частиц, они обладают свойствами, характерными для векторных мезонов. Согласно полевой теории элементарных частиц, потенциальное число векторных мезонов бесконечно — нас ждут новые интересные открытия, вне рамок Стандартной модели.

Кварков в природе НЕТ, а что касается бета-распадов, то согласно полевой теории элементарных частиц, в основе механизма распада элементарных частиц лежит стремление каждой элементарной частицы, перейти на более низкий энергетический уровень (аналогичное наблюдаем в атоме и атомном ядре) или точнее уровни. Оно ограничено законами природы, наличием других элементарных частиц и их энергетическими уровнями, но это уже из научных открытий физики 21 века.

Нейтроны в роли пастухов протонов

Наоборот, нет ядра, сделанного только из нейтронов без протонов; большинство легких ядер, таких как кислорода и кремния, имеют примерно то же самое число нейтронов и протонов (рисунок 2). Большие ядра с большими массами, как у золота и радия, имеют несколько больше нейтронов, чем протонов.

Это говорит о двух вещах:

1. Не только нейтроны необходимы, чтобы протоны держались вместе, но и протоны нужны, чтобы удержать нейтроны тоже вместе.

2. Если количество протонов и нейтронов становится очень большим, то электрическое отталкивание протонов должно быть скомпенсировано добавлением нескольких дополнительных нейтронов.

Последнее утверждение проиллюстрировано на рисунке ниже.

На рисунке выше показаны стабильные и почти устойчивые атомные ядра как функция P (числа протонов) и N (числа нейтронов). Линия, показанная черными точками обозначает стабильные ядра. Любое смещение от черной линии вверх или вниз означает уменьшение жизни ядер — вблизи нее срок жизни ядер составляет миллионы лет или более, по мере удаления внутрь синей, коричневой или желтой областей (разные цвета соответствует разным механизмам ядерного распада) время их жизни становится все короче, вплоть до долей секунды.

Обратите внимание, что стабильные ядра имеют P и N, примерно равные для малых P и N, но N постепенно становится больше, чем P более чем в полтора раза. Отметим также, что группа стабильных и долгоживущих нестабильных ядер остается в достаточно узкой полосе для всех значений P вплоть до 82

При большем их числе известные ядра в принципе являются нестабильными (хотя и могут существовать миллионы лет). По-видимому, отмеченный выше механизм стабилизации протонов в ядрах за счет добавления к ним нейтронов в этой области не имеет стопроцентной эффективности.

Ядерные силы: строение ядра от простейшего к большему

Резюмируя все вышесказанное, можно отметить:

• сильное ядерное взаимодействие гораздо, гораздо слабее, чем электромагнетизм на расстояниях, значительно больших, чем размер типичного ядра, так что мы не сталкиваемся с ним в повседневной жизни; но
• на коротких расстояниях, сравнимых с ядром, оно становится гораздо сильнее — сила притяжения (при условии, что расстояние не слишком короткое), способна преодолеть электрическое отталкивание между протонами.

Итак, эта сила имеет значение только на расстояниях, сравнимых с размерами ядра. На рисунке ниже показан вид ее зависимости от расстояния между нуклонами.

Большие ядра удерживаются вместе с помощью более или менее той же силы, что держит дейтрон вместе, но детали процесса усложняются, так что их непросто описать. Они также не в полной мере понятны. Хотя основные очертания физики ядра были хорошо изучены в течение десятилетий, многие важные детали все еще активно исследуются.

Внутри ядра действуют:

1) электрические силы отталкивания между протонами и

2) ядерные силы между нуклонами (отталкивания — на малых и притяжения — на больших расстояниях).

Установлено, что ядерные силы одинаковы для нуклонов обоих сортов. Ядерное притяжение между протонами значительно превосходит электрическое отталкивание, вследствие чего протон прочно удерживается в составе ядра.

Ядро окружено потенциальным барьером, обусловленным ядерными силами. Выход из ядра нуклона и системы нуклонов (например, альфа-частиц) возможен либо путем «туннельного эффекта», либо при получении энергии извне. В первом случае происходит спонтанный радиоактивный распад ядра, во втором — вынужденная ядерная реакция. Оба процесса позволяют вынести некоторые суждения о размерах ядра. Ценные сведения о протяженности потенциального барьера вокруг ядер получены при изучении рассеяния ядрами различных бомбардирующих частиц — электронов, протонов, нейтронов и др.

Исследования показали, что ядерные силы притяжения между нуклонами очень быстро убывают с увеличением расстояния между ними. Средний радиус действия ядерных сил, который можно трактовать так же, как некоторый условный («эффективный») размер ядра, на основании экспериментальных данных выражается оценочной формулой

Если полагать, что ядра с большим числом нуклонов состоят из сердцевины, где частицы равномерно распределены по объему, и сферической оболочки, в которой плотность частиц убывает к границам ядра до нуля, то в этом случае

Эти формулы показывают, что «эффективный» объем ядра прямо пропорционален числу нуклонов поэтому нуклоны во всех ядрах упакованы в среднем с почти одинаковой плотностью.

Плотность ядер весьма велика; например, у ядра с масса радиус

Состояние нуклона в различных местах внутри ядра можно характеризовать величиной энергии которую нужно затратить, чтобы извлечь этот нуклон из ядра. Она называется энергией связи данного нуклона в ядре. В общем случае эта энергия различна для протонов и нейтронов и может зависеть от того, в каком месте объема ядра находится данный нуклон.

Взаимодействие нуклонов в ядре можно сопоставить с аналогичным взаимодействием атомов в кристаллических решетках металлов, где

существенную роль играют электроны как «передатчики взаимодействия».

Различие заключается в том, что в ядрах «передатчиками взаимодействия» между нуклонами являются более тяжелые частицы — пи-мезоны (или пионы), масса которых в 273 раза больше массы электрона. Полагают, что нуклоны непрерывно порождают и поглощают пи-мезоны по схеме

так что каждый нуклон окружен облаком виртуальных пи-мезонов. Внутри ядра, где частицы находятся на относительно малых расстояниях друг от друга, пи-мезонное облако активно участвует в ядерных процессах, обусловливая взаимодействие и взаимные превращения нуклонов.

Все на свете, например люди, книги, звезды, состоит из атомов. Диаметр среднего атома восемь миллиардных долей дюйма (1 дюйм равен 2,54 сантиметра). Чтобы наглядно представить себе, насколько мала эта величина, скажем, что толщина страницы книги 500000 атомов.

В каждом таком крошечном атоме есть ядро, состоящее из связанных между собой протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются по своим орбитам электроны. Они вращаются вокруг ядра так же, как планеты вокруг Солнца.

Как размер атома зависит от массы его электронов

Как же влияют рассматриваемые силы на строение атомного ядра? Ядерные силы влияют прежде всего на его размер. Почему же все-таки ядра так малы по сравнению с атомами? Чтобы выяснить это, давайте начнем с простейшего ядра, которое имеет как протон, так и нейтрон: это второй наиболее распространенной изотоп водорода, атом которого содержит один электрон (как и все изотопы водорода) и ядро из одного протона и одного нейтрона. Этот изотоп часто называют «дейтерий», а его ядро (см. рисунок 2) иногда называют «дейтрон.» Как мы можем объяснить, что держит дейтрон вместе? Ну, можно представить себе, что он не так уж отличается от атома обычного водорода, который также содержит две частицы (протон и электрон).

На рис. выше показано, что в атоме водорода ядро ​​и электрон очень далеки друг от друга, в том смысле, что атом гораздо больше, чем ядро (а электрон еще меньше.) Но в дейтроне расстояние между протоном и нейтроном сравнимо с их размерами. Это отчасти объясняет, почему ядерные силы являются гораздо более сложными, чем силы в атоме.

Известно, что электроны имеют небольшую массу по сравнению с протонами и нейтронами. Отсюда следует, что

• масса атома, по существу близка к массе его ядра,
• размер атома (по существу размер электронного облака) обратно пропорционален массе электронов и обратно пропорционален общей электромагнитной силе; принцип неопределенности квантовой механики играет решающую роль.

Какие бывают элементарные частицы

После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны, дополнили список лептонов и открыли кварки.

С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:

• то, что мы видим невооруженным глазом;
• молекулярная структура;
• атомная структура;
• элементарный уровень.

Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).

Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы

Спектральный анализ в исследовании Солнца

Очевидно, Солнце — раскаленное тело, испускающее белый свет, спектр которого непрерывен — окружено слоем более холодных, но все же раскаленных газов. Эти газы и образуют вокруг Солнца его оболочку, или атмосферу. А в этой атмосфере содержатся пары натрия, которые и поглощают из лучей солнечного спектра лучи с гой самой длиной волны, которую натрий способен испускать. Поглощая, задерживая эти лучи, пары натрия создают в свете Солнца, прошедшем сквозь его атмосферу и дошедшем до нас, недостаток желтых лучей с этой длиной волны. Вот почему в соответствующем месте желтой части спектра Солнца мы находим темную линию.

Так, не побывав никогда на Солнце, находящемся от нас на расстоянии 150 миллионов километров, мы можем утверждать, что в составе солнечной атмосферы есть натрий.

Таким же образом, определив длины волн других темных линий, видимых в спектре Солнца, и сравнив их с длинами волн ярких линий, испускаемых парами различных веществ и наблюдаемых в лаборатории, мы точно определим, какие еще другие химические элементы входят в состав солнечной атмосферы.

Так было выяснено, что в солнечной атмосфере присутствуют те же химические элементы, что и на земле: водород, азот, натрий, магний, алюминий, кальций, железо и даже золото.

Спектры звезд, свет которых тоже можно направить в спектроскоп, похожи на спектр Солнца. И по темным линиям их мы можем определить химический состав звездных атмосфер так же, как мы определили химический состав солнечной атмосферы по темным линиям спектра Солнца.

Таким путем ученые установили, что даже количественно химический состав атмосфер Солнца и звезд очень похож на количественный химический состав земной коры.

Самый легкий из всех газов, из всех химических элементов — водород — составляет на Солнце 42% по весу. На долю кислорода приходится 23% по весу. Столько же приходится на долю всех металлов, вместе взятых. Углерод, азот и сера составляют вместе 6% от состава солнечной атмосферы. И только 6% приходится на все остальные элементы, вместе взятые.

Надо учесть, что атомы водорода легче всех остальных. Поэтому их число далеко превосходит число всех других атомов. Из каждой сотни атомов в атмосфере Солнца 90 атомов принадлежит водороду.

Средняя плотность Солнца на 40% больше плотности воды и все-таки оно ведет себя во всех отношениях как идеальный газ. Плотность на внешнем видимом краю Солнца составляет приблизительно одну миллионную от плотности воды, в то время как плотность вблизи его центра примерно в 50 раз выше плотности воды.

Из чего состоят атомы?

Атомы, таким образом, состоят из частиц: протонов, нейтронов и электронов. Эти частицы удерживаются вместе электромагнитными силами. Электромагнитная сила — одна из четырех основных сил, действующих во Вселенной. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным протонам ядра атома. Поэтому электроны стабильно вращаются по своим орбитам. Та же электромагнитная сила заставляет сверкать молнию.

Еще одна сила — это сила тяготения. Она притягивает друг к другу материальные объекты и прямо пропорциональна их массам. Эта сила удерживает планеты на орбитах и заставляет падать на пол сорвавшуюся со стены картину. Сила тяготения заметнее, чем электромагнитная, но последняя намного сильнее. Электрические силы притяжения и отталкивания между заряженными частицами в атоме в огромное число раз больше, чем сила тяготения между ними.

А если ядерные силы аналогичны электромагнитным

Что же с дейтроном? Он так же, как и атом, сделан из двух объектов, но они почти одинаковой массы (массы нейтрона и протона отличаются лишь части примерно на одну 1500-ю часть), так что обе частицы в равной степени важны в определении массы дейтрона и его размера. Теперь предположим, что ядерная сила тянет протон к нейтрону так же, как электромагнитные силы (это не совсем так, но представьте себе, на мгновение); а затем, по аналогии с водородом, мы ожидаем, размер дейтрона обратно пропорциональным массе протона или нейтрона, и обратно пропорциональным величине ядерной силе. Если ее величина была такой же (на определенном расстоянии), как у электромагнитной силы, то это будет означать, что так как протон примерно в 1850 раз тяжелее электрон, то дейтрон (и действительно любое ядро) должно быть по крайней мере в тысячу раз меньше, чем у водорода.

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии[править]

Сейчас известны следующие частицы, участвующие в сильном взаимодействии: шесть видов кварков, каждый из которых может иметь один из трех цветов, и глюон, (может иметь восемь вариантов окраски), который является носителем взаимодействия.

Кваркиправить

Существует шесть частиц, называемых кварками:

• Верхний кварк (u-кварк)
• Нижний кварк (d-кварк)
• Странный кварк (s-кварк)
• Волшебный кварк (c-кварк)
• Красивый кварк (b-кварк)
• Истинный кварк (t-кварк)

u-кварк является самым легким из них, а t-кварк — тяжелым. Сорта кварков также называются ароматами. Все кварки являются фермионами со спином 1/2. Цветной заряд всех кварков одинаков по величине.

Одной из особенностей кварков является заряд, не кратный заряду электрона — разные кварки имеют абсолютную величину заряда равную 1/3 и 2/3 от заряда электрона. Однако из-за того, что свободные кварки не могут существовать отдельно, такие заряды не наблюдаются.

Глюоныправить

Глюоны являются носителями сильного взаимодействия. Как и носители других взаимодействий, глюоны являются бозонами — спин глюонов равен 1. Глюон имеет нулевую массу и нулевой электрический заряд. Поскольку глюон имеет цветной заряд, то он меняет заряд кварка, что его излучил, и кварка, что его поглотил, а также может излучать и поглощать другие глюоны. Существует восемь вариантов окраски глюонов, соответствующих матрицам Гелл-Манна, которые в свою очередь, являются линейно независимыми матрицами с определителем 1:

• g1=(rb¯+br¯)2{\displaystyle g_{1}=(r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}}
• g2=−i(rb¯−br¯)2{\displaystyle g_{2}=-i(r{\bar {b}}-b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}}
• g3=(rr¯−bb¯)2{\displaystyle g_{3}=(r{\bar {r}}-b{\bar {b}})/{\sqrt {2}}}
• g4=(rg¯+gr¯)2{\displaystyle g_{4}=(r{\bar {g}}+g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}}
• g5=−i(rg¯−gr¯)2{\displaystyle g_{5}=-i(r{\bar {g}}-g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}}
• g6=(bg¯+gb¯)2{\displaystyle g_{6}=(b{\bar {g}}+g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}}
• g7=−i(bg¯−gb¯)2{\displaystyle g_{7}=-i(b{\bar {g}}-g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}}
• g8=(rr¯+bb¯−2gg¯)6{\displaystyle g_{8}=(r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})/{\sqrt {6}}}

Эти глюоны создают восемь различных глюонных полей, которые превращаются друг на друга при поворотах в пространстве цветов.

Как можно видеть, глюоны три и восемь не имеют цвета. Такие глюоны являются собственными античастицами. Благодаря им кварки одного цвета также взаимодействуют между собой.

Ссылки

1. Федосин С.Г.. Физика и
   философия подобия от преонов до метагалактик, Пермь: Стиль-МГ, 1999,
   544 стр. Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв. ISBN 5-8131-0012-1.
2. Губарев В. Поиски 118-го элемента. Наука и жизнь, № 9,
   2002 г.
3. H.
   Fritzsch Quarks: The Stuff of Matter. — М.: Basic Books, 1983. — ISBN
   978-0465067817.
4. Федосин С.Г. Физические
   теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл.
   21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
5. Комментарии к книге:
   Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь,
   2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.

Оглавление

• 1 Фундаментальные взаимодействия существующие в природе
  • 1.1 Электромагнитные фундаментальные взаимодействия
  • 1.2 Гравитационные фундаментальные взаимодействия
• 2 Вымышленные фундаментальные взаимодействия
  • 2.1 Сильное взаимодействие — сказочное фундаментальное взаимодействие сказочных кварков
  • 2.2 Слабое взаимодействие
  • 2.3 Электромагнитное взаимодействие
  • 2.4 Электрослабое взаимодействие — пятое сказочное фундаментальное взаимодействие
• 3 Фундаментальные взаимодействия в рамках квантовой теории
• 4 Создание единой теории фундаментальных взаимодействий
• 5 Фундаментальные взаимодействия в природе — Итог

Под фундаментальными взаимодействиями (англ. Fundamental interactions) в микромире понимают качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц.

Протоны — аналоги атомов, а ядра — аналоги молекул?

Между какими частицами действуют ядерные силы? Прежде всего между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре. В конце концов они действуют и между частицами (кварками, глюонами, антикварками) внутри протона или нейтрона. Это неудивительно, когда мы признаем, что протоны и нейтроны являются внутренне сложными.

В атоме крошечные ядра и еще более мелкие электроны находятся относительно далеко друг от друга по сравнению с их размерами, а электрические силы, удерживающие их в атоме, действуют довольно просто. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размерами атомов, так что внутренняя сложность последних вступает в игру. Разнообразная и сложная ситуация, вызванная частичной компенсацией внутриатомных электрических сил, порождает процессы, в которых электроны могут на самом деле перейти от одного атома к другому. Это делает физику молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Аналогичным образом и расстояние между протонами и нейтронами в ядре сопоставимо с их размерами — и также, как и с молекулами, свойства ядерных сил, удерживающих ядра вместе, намного сложнее, чем простое притяжение протонов и нейтронов.

Силы внутриядерного взаимодействия

В ядре атома действуют силы, называемые силами внутриядерного взаимодействия. Эти силы спрессовывают протоны и нейтроны атомного ядра в плотный клубок. Четвертый вид сил — это слабые силы внутриядерного взаимодействия. Они действительно весьма слабы и становятся заметны только в процессе радиоактивного распада ядра при испускании элементарных частиц.

В физике понятием «сила» обозначают меру взаимодействия материальных образований между собой, включая взаимодействия частей вещества (макроскопических тел, элементарных частиц) друг с другом и с физическими полями (электромагнитным, гравитационным). Всего известно четыре типа взаимодействия в природе: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное, и каждому соответствует свой вид сил. Первому из них отвечают ядерные силы, действующие внутри атомных ядер.

Физический механизм ядерного взаимодействия

У всякого материального процесса, включая и взаимодействие между нуклонами, должны быть материальные же переносчики. Ими являются кванты ядерного поля — пи-мезоны (пионы), из-за обмена которыми и возникает притяжение между нуклонами.

Согласно принципам квантовой механики, пи-мезоны, то и дело возникая и тут же исчезая, образуют вокруг «голого» нуклона что-то вроде облака, называемого мезонной шубой (вспомните об электронных облаках в атомах). Когда два нуклона, окруженные такими шубами, оказываются на расстоянии порядка 10 -15 м, происходит обмен пионами подобно обмену валентными электронами в атомах при образовании молекул, и между нуклонами возникает притяжение.

Если же расстояния между нуклонами становятся меньше 0,7∙10 -15 м, то они начинают обмениваться новыми частицами — т.наз. ω и ρ-мезонами, вследствие чего между нуклонами возникает не притяжение, а отталкивание.

История

Калибровочные бозоны в рамках Стандартной модели.

К началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.

В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире.

Нейтрон

Вы знаете, что нейтроны находятся в ядре атома. В нормальных условиях протоны и нейтроны слипаются в ядре. Во время радиоактивного распада они могут быть выбиты оттуда. Нейтронные числа способны изменять массу атомов, потому что они весят примерно столько же, сколько протон и электрон вместе.

Нейтроны можно найти практически во всех атомах вместе с протонами и электронами. Водород -1 является единственным исключением. Атомы с одинаковым количеством протонов, но с разным количеством нейтронов называются изотопами одного и того же элемента.

Количество нейтронов в атоме не влияет на его химические свойства. Однако это влияет на его период полураспада, меру его стабильности. Нестабильный изотоп имеет короткий период полураспада, при котором половина его распадается на более легкие элементы.