Фундаментальные взаимодействия

 

    Все взаимодействия в природе можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям:

1) сильному – S;

2) электромагнитному – E;

3) слабому – W;

4) гравитационному – G.

    Кварки способны принимать участие во всех четырех взаимодействиях. Поэтому в таблице выше даны значения относительных интенсивностей различных взаимодействий, участниками которых являются именно кварки.

    Наиболее интенсивно сильное взаимодействие кварков. Относительная интенсивность сильного взаимодействия кварков принята за единицу. Интенсивность других взаимодействий дана в сравнении с интенсивностью сильного взаимодействия.

 

Вид взаимодействия	Участники взаимодействия	Относительная интенсивность взаимодействия	Радиус действия, м
	Кварки и адроны	1
	Все частицы, обладающие электрическим зарядом
	Кварки, лептоны и все составные частицы
	Все частицы

 

    Взаимодействие различных тел в природе, в том числе и взаимодействие элементарных частиц, осуществляется посредством физического силового поля. Две частицы вещества (два физических тела) взаимодействуют с помощью соответствующих частиц – переносчиков.

 

Вид взаимодействия	Переносчики взаимодействия	Спин	Электрич. заряд, в ед.	Масса, в
	Глюоны	1	0	0
	Фотоны	1	0	0
		1 1 1		85,7 85,7 97,2
	Гравитоны	2	0	0

    Частицы-переносчики являются элементарными частицами (квантами) соответствующих полей. Все они являются бозонами и называются фундаментальными векторными бозонами.

    Частицы - переносчики взаимодействий являются виртуальными. Квантовый механизм взаимодействия состоит в том, что одна из взаимодействующих частиц вещества испускает виртуальный бозон, который почти сразу же поглощается другой взаимодействующей частицей. Таким образом, две взаимодействующие частицы обмениваются виртуальными бозонами. Время жизни виртуальных бозонов крайне мало. В отличие от реальных частиц их нельзя непосредственно зарегистрировать. Энергия виртуальных частиц определяется в соответствии с соотношением неопределенностей Гайзенберга.

 

    Сильное взаимодействие.

    Участниками сильного взаимодействия являются кварки и адроны. Сильное взаимодействие существует только в микромире на околоядерном уровне. Сильное взаимодействие объединяет кварки и антикварки в нуклоны и другие адроны. Благодаря сильному взаимодействию существуют нуклоны и ядра атомов.

    Действие ядерных сил, связывающих нуклоны в ядре, обеспечено остаточным сильным взаимодействием.

    Сильное взаимодействие является короткодействующим, причем удивительной особенностью этих сил является то, что они не убывают с увеличением расстояния между частицами.

    Переносчики сильного взаимодействия – глюоны (от слова «клей»). Глюоны являются безмассовыми частицами. Кварки и глюоны не могут существовать в свободном виде, а представляют собой так называемую кварк – глюонную плазму.

 

    Электромагнитное взаимодействие.

    В электромагнитном взаимодействии участвуют только электрически заряженные частицы и тела. Тела, имеющие одинаковые по знаку электрические заряды, отталкиваются, а имеющие заряды разных знаков притягиваются. Взаимодействие заряженных тел осуществляется в соответствии с законом Кулона, справедливым для точечных заряженных тел:

 

 

    Кулоновские силы являются дальнодействующими, и электромагнитное взаимодействие распространяется на бесконечность.

    Электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование атома посредством кулоновского притяжения электрически положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

    Электромагнитное взаимодействие лежит в основе межмолекулярных сил, обеспечивающих существование молекул и поведение кристаллов, жидкостей и газообразных тел. А также лежит в основе сил упругости и трения, химических реакций, всех наблюдаемых электрических, магнитных и оптических явлений. Напомним, что свет – это электромагнитная волна.

    Переносчики электромагнитного взаимодействия – фотоны. Фотоны – безмассовые частицы. Поэтому электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим. Сообщив виртуальным фотонам достаточную энергию, можно превратить их из частиц-«призраков» в реальные частицы. Реальные фотоны проявляются в виде электромагнитных волн – света.

 

    Слабое взаимодействие.

    Слабое взаимодействие присуще всем фундаментальным фермионам. Его предназначением является изменение природы частиц, то есть превращение одного кварка или лептона в другой кварк или лептон. Слабое взаимодействие является короткодействующим. Слабое взаимодействие играет решающую роль в микромире.

    В результате слабого взаимодействия происходит распад – превращение нейтрона

 

 

а также распад – превращение мюона

 

 

    Слабое взаимодействие играет роль не только в микромире, но и в мегамире. Благодаря слабому взаимодействию водород превращается в гелий в результате совокупности термоядерных реакций в звездах.

    На первой стадии происходит превращение протона в дейтрон:

 

 

 

 

    Переносчики слабоговзаимодействия – ,  и  – бозоны. Масса этих виртуальных бозонов велика, и переносимые ими силы являются короткодействующими.

 

    Гравитационное взаимодействие.

    В гравитационном взаимодействии принимают участие все тела и частицы, в том числе и безмассовые частицы (фотоны), поскольку масса и энергия эквивалентны в соответствии с формулой Эйнштейна

 

 

    Гравитационное взаимодействие обеспечивает взаимное притяжение всех тел во Вселенной. Это взаимное притяжение осуществляется в соответствии с законом всемирного тяготения, справедливым для точечных масс:

 

 

    Гравитационные силы являются дальнодействующими, и гравитационное взаимодействие распространяется на бесконечность. Гравитация удерживает все тела на Земле, собирает вещество в планеты и звезды, удерживает планеты на орбитах и «связывает» звезды в скопления и галактики. В астрономических масштабах гравитация играет определяющую роль. В микромире гравитацией можно пренебречь по сравнению с другими более интенсивными взаимодействиями.

    Переносчики гравитационного взаимодействия – гравитоны. Гравитоны являются гипотетическими безмассовыми частицами.

 

Законы сохранения

    Все реакции превращения и взаимодействия частиц происходят при обязательном выполнении основных законов сохранения:

– закона сохранения энергии;

– закона сохранения массового числа;

– закона сохранения импульса;

– закона сохранения момента импульса;

– закона сохранения электрического заряда;

– закона сохранения трех лептонных и барионного зарядов.

    В истории науки не известно ни одного факта нарушения этих законов сохранения. Они считаются универсальными и важнейшими законами природы.

    Все перечисленные законы сохранения позволяют анализировать процессы, механизм которых еще не раскрыт, и предсказывать существование еще не известных объектов и их свойства.

    Рассмотрим, как выполняются законы сохранения, на примере реакции распада протона.

 

 

 

Массовое число	До	После	Вывод
			Сохраняется

 

 

Заряды	До	После	Вывод
Электрический			Сохраняется
Барионный			Сохраняется
Лептонный электронный			Сохраняется
Лептонный мюонный			Сохраняется
Лептонный таонный			Сохраняется

 

    Рассмотрим, как выполняются законы сохранения, на примере реакции распада мюона.

 

 

Массовое число	До	После	Вывод
			Сохраняется

 

 

Заряды	До	После	Вывод
Электрический			Сохраняется
Барионный			Сохраняется
Лептонный электронный			Сохраняется
Лептонный мюонный			Сохраняется
Лептонный таонный			Сохраняется

 

 

    Проанализируем на основании законов сохранения возможность реакции

 

 

Массовое число	До	После	Вывод
			Не сохраняется

 

 

Заряды	До	После	Вывод
Электрический			Сохраняется
Барионный			Не сохраняется
Лептонный электронный			Сохраняется
Лептонный мюонный			Сохраняется
Лептонный таонный			Сохраняется

 

    Вывод: реакция не идет!

 

Содержание

Стр. 1. Основы квантовой механики.                                                                  1 2. Физика макросистем. Бозоны и фермионы.                                           7 3. Основы термодинамики.                                                                        12 4. Основы специальной теории относительности.                                  22 5. Фундаментальное строение материи. Происхождение Вселенной. Три уровня мироздания.                                                                         26 6. Принцип минимума энергии. Связанные состояния.                          33 7. Радиоактивность.                                                                                    39 8. Фундаментальные фермионы. Составные частицы.                           42 9. Фундаментальные взаимодействия.                                                      51 10. Законы сохранения.                                                                              56