Типи фундаментальних взаємодій

Відомо 4 типи фундаментальних взаємодій (таблиця 3.2):

Ø сильна (ядерна);

Ø електромагнітна;

Ø слабка;

Ø гравітаційна.

В квантовій теорії ці взаємодії відбуваються наступним чином: дві частинки взаємодіють через третю.

Інтенсивність тієї чи іншої взаємодії характеризують певним безрозмірним параметром a, який інакше називають константою взаємодії. Щоб зрозуміти фізичну суть константи взаємодії, розглянемо приклад взаємодії двох електронів, виражену в системі одиниць, які використовують у квантовій електродинаміці. У ній одиницею маси є маса електрона т_е, одиницею довжини – комптонівська довжина хвилі електрона , одиницею енергії – енергія спокою електрона . Щоб визначити в цій системі константу взаємодії двох електронів на відстані один від одного, очевидно, треба вираз енергії в СІ поділити на , дістанемо:

; . (3.4)

Безрозмірна константа a характеризує інтенсивність взаємодії двох електронів, інакше кажучи, визначає інтенсивність зв'язку еле­ктрона з електромагнітним полем, через яке реалізується його взаємодія з іншим електроном.

З виразу (3.4) маса електрона не входить у рівняння, отже, конс­танта взаємодії з електромагнітним полем зберігає зміст для будь-якої елементарної частинки, що має заряд е.

Константа входить у розрахунки розщеплення енергетичних рів­нів атома водню, зумовлене спіном електрона; її називають сталою тонкої структури.

Порівняння констант взаємодій свідчить про відносну інтенсив­ність названих типів взаємодій частинок; охарактеризуємо кожну з них окремо.

Сильна взаємодія відбувається між ядерними частинками (нуклонами) з участю π- мезонів; виявляється між мезонами, нуклонами та гіперонами. Прикладом їх можуть бути вже розглянуті ядерні взаємодії нуклонів, що забезпечуються π- мезонами. Порівняльна константа взаємодії дорівнює 1; радіус їхньої дії має порядок розміру ядра – м; характерний час життя частинок, що розпадаються в результаті взаємодії ~ c.

У земному середовищі при помірних температурах сильні взаємодії особливих процесів не спричинюють, вони лише забезпечують стійкі зв'язки нуклонів у ядрах атомів. На один нуклон енергія зв'язку дорівнює ~ 8 МеВ. Однак при зіткненнях ядер і нуклонів високих енергій сильні взаємодії зумовлюють різноманітні ядерні реакції, серед них з практичного погляду особливої уваги заслуговують реакції термоядерного синтезу – об'єднання чотирьох нуклонів в ядро гелію.

При зіткненнях нуклонів з енергіями в кілька сотень МеВ сильні взаємодії зумовлюють народження π- мезонів, а при ще більших енергіях – утворення масивніших частинок – мезонних і баріонних резонансів.

Електромагнітні взаємодії – забезпечують зв'язки між зарядже­ними частинками; вони реалізуються за допомогою електромагніт­ного поля. Теорією електромагнітної взаємодії є квантова електродинаміка, згідно з якою, заряджені частинки взаємодіють за допомогою віртуальних фотонів, якими обмінюються частинки; величина імпульсу фотона . Константа, що визначає інтенсивність електромагнітної взаємодії, ; радіус взаємодії (необмежений); характерний для неї час проходження с (оцінюється за співвідношенням невизначеностей Гейзенберга; , де –енергія фотона обміну). Електромагнітні взаємодії забезпечують зв'язки позитивно заря­джених ядер з негативно зарядженими електронами в атомах і моле­кулах речовини; вони зумовлюють сили пружних деформацій, сили тертя і багато інших процесів.

Слабкі взаємодії відповідальні за b- розпад ядер, розпад багатьох елементарних частинок, за всі процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Переносниками слабкої взаємодії є проміжні векторні бозони , що не існують у вільному стані і виникають лише при взаємодії.

Порівняльна константа слабких взаємодій дорівнює ; радіус дії надто малий – м, тобто значно менший від радіуса сильних взаємодій. Остання властивість слабких взаємодій зумовлює надзвичайну проникну здатність нейтрино, а тому і значний ха­рактерний час процесу, спричиненого слабкою взаємодією близько с; у світі елементарних частинок ці процеси належать до дуже повільних.

Поряд з порівняльними характеристиками слабких взаємодій з іншими взаємодіями треба зауважити дуже важливу роль їх в приро­ді. Без них був би неможливий процес перетворення

,

в результаті якого чотири протони об'єднуються в ядро атома гелію.

У квантовій фізиці цей тип взаємодії відбувається саме таким чином: при розпаді нейтрона випромінюється векторний бозон, що, в свою чергу, розпадається на електрон та антинейтрино:

Цей процес служить джерелом енергії Сонця і більшості зір.

Гравітаційні взаємодії з усіх інших типів фундаментальних взаємодій найслабші. Порівняльну константу цієї взаємодії знахо­дять за виразом:

,

де G – гравітаційна стала; М – маса нуклона, за підрахунками . Гравітаційні взаємодії із збільшенням відстані повільно зменшуються, тому радіус їх дії необмежений. Час реалізації взаємо­дії ~ 10⁸ років. Чим слабші взаємодії, тим довший час потрібний для здійснення зумовленої ними реакції. У фізиці мікрочастинок гравітаційними силами нехтують, хоч цієї взаємодії зазнають усі час­тинки.

Особливість гравітаційних сил у тому, що вони є тільки силами притягання, від яких не можна екрануватися. З цих причин гравіта­ційні взаємодії стають домінуючими у світі астрономічних макротіл.

За сучасними поглядами, гравітаційні взаємодії реалізуються за допомогою гравітаційного поля, зокрема, обміном гравітонами – квантами поля. Останніх, очевидно, через малі імпульси ще експериментально не виявлено.

У таблиці 3.2 подано характеристики різних типів взаємодій між елементарними частинками

Таблиця 3.2

Тип взаємодії	Відносна величина взаємодії	Характерний час взаємодії
сильна		10-23с
електромагнітна	1/137	с
слабка	10-14	с
гравітаційна

Треба зазначити, що на сьогоднішній день слабка і електромагнітна взаємодії об’єднанні в одну і мають назву електрослабкої взаємодії.

Поиск по сайту: