Какво е слабото взаимодействие във физиката?

Слабото взаимодействие е една от четирите фундаментални сили, които управляват цялата материя във вселената. Другите три са гравитацията, електромагнетизмът и силното взаимодействие. Докато другите сили държат нещата заедно, една слаба сила играе голяма роля в разрушаването им.

Слабото взаимодействие е по-силно от гравитацията, но е ефективно само на много малки разстояния. Силата действа на субатомно ниво и играе решаваща роля в осигуряването на енергията на звездите и създаването на елементи. Той също така отговаря за по-голямата част от естествената радиация във Вселената.

Теорията на Ферми

Италиански физик Енрико Ферми през 1933 г., разработена теория да обясни бета разпад - процесът на превръщане на неутрони в протонен и изместване на електрони, често наричани в този контекст, бета частица. Той определи нов тип енергия, така наречената слабото взаимодействие, който е отговорен за разпадането, основният процес на преобразуване на неутрони в протон, електрон и неутрино, които по-късно се идентифицира като antineutrinos.

Ферми първоначално прие, че има нулево разстояние и сцепление. Две частици трябваше да влязат в контакт, така че силата да действаше. Оттогава се оказа, че слабото взаимодействие е факт сила на привличане, който се проявява на изключително кратко разстояние, равно на 0,1% от диаметъра на протона.

Електрическа устойчивост

В радиоактивни разпадания Слабата сила е приблизително 100 000 пъти по-малка от електромагнитната. Сега обаче е известно, че тя е вътрешно равна на електромагнитната и се смята, че тези два явно различни явления представляват проявленията на една електрическа сила. Това се потвърждава от факта, че те се комбинират при енергии над 100 GeV.

Понякога се казва, че слабо взаимодействие се проявява в разпадането на молекулите. Въпреки това, междумолекулните сили имат електростатичен характер. Те са открити от Ван дер Ваалс и носят името му.

Стандартен модел

Слабото взаимодействие във физиката е част от стандартния модел - теорията за елементарните частици, която описва основната структура на материята, използвайки набор от елегантни уравнения. Според този модел елементарните частици, които не могат да бъдат разделени на по-малки части, са градивните елементи на Вселената.

Една такава частица е кварк. Учените не очакват съществуването на нещо по-малко, но те все още търсят. Има шест типа или сортове кварки. Поставяме ги в ред на нарастваща маса:

• горен;
• по-ниски;
• държава;
• омагьосан;
• прекрасен;
• вярно.

В различни комбинации те образуват разнообразие от различни видове субатомични частици. Например, протони и неутрони - големи частици на атомното ядро - се състои от по три кварки. Двете горни и долни формират протона. Горната и двете долни формират неутрон. Промяната на степента на кварката може да промени протона в неутрон, като по този начин превръща един елемент в друг.

Друг вид елементарни частици е бозонът. Тези частици са носители на взаимодействие, които се състоят от енергийни греди. Фотоните са един тип бозон, а глуоните са други. Всяка от тези четири сили е резултат от споделянето на векторите на взаимодействие. Силното взаимодействие се осъществява чрез глутон и електромагнитно взаимодействие с фотон. Гравитон е теоретично носител на гравитацията, но не е намерен.

W и Z бозони

Слабото взаимодействие се прехвърля от W и Z бозони. Тези частици бяха предсказани от нобелови лауреати Стивън Уайнбърг, Шелдън Glashow Абдус Салам и в 60-те години на миналия век, и да ги намерени през 1983 г. в Европейската организация за ядрени изследвания ЦЕРН.

W-бозоните са електрически заредени и са обозначени със символите W⁺ (положително заредени) и W^- (отрицателно заредени). W-бозона променя състава на частиците. Чрез излъчване на електрически зареден W-бозон слаба сила променя типа кварк, превръщайки протона в неутрон или обратно. Това е причината за това ядрен синтез и прави звездите да горят.

Тази реакция създава по-тежки елементи, които в крайна сметка се хвърлят в космоса от експлозии на супернова, за да станат строителни материали за планети, растения, хора и всичко останало на Земята.

Неутрален ток

Z-бозона е неутрален и носи слаб неутрален ток. Неговото взаимодействие с частиците е трудно за откриване. Експерименталните търсения на бозони W и Z през 60-те години доведоха учени до теория, която комбинира електромагнитна и слаба сила в един електролъч. Теорията обаче изисква частиците на носителя да са безтегловни и учените знаят, че теоретично W-бозоните трябва да са тежки, за да обяснят краткия им обхват. Теоретиците приписват масата на W на невидим механизъм, наречен Higgs механизъм, който предвижда съществуването на бог на Хигс.

През 2012 г. CERN съобщи, че учените, използващи най-големия ускорител в света - Large Hadron Collider, са наблюдавали нова частица ", съответстваща на богеона" Хигс ".

Бета разпад

Слабо взаимодействие се проявява когато бета разпад, процес, при който протонът се превръща в неутрон и обратно. Това се случва, когато се намира в ядро ​​с твърде много неутрони или протони, единият от които се превръща в друг.

Бета разпад може да се извърши по един от следните два начина:

1. С минус-бета разпад, понякога написан като бета-^minus- -неутронът се разпада на протон, антинеутрино и електрон.
2. Слабото взаимодействие се проявява в разпадането на атомните ядра, понякога написано като бета-⁺-когато един протон е разделен на неутрон, неутрино и позитрон.

Един от елементите може да се превърне в друг, когато един от неговите неутрони спонтанно се превръща в протон през минус бета разпад или когато един от неговите протони спонтанно се превръща в неутрон чрез бета-⁺-разпад.

Двойно бета разпадане се случва, когато два протона в едно ядро ​​се трансформират едновременно в 2 неутрона или обратно, в резултат на което се отделят 2 електронуклетъчни и 2 бета частици. При хипотетично двойно бета разпадане на неутрино не се образуват неутрини.

Електронно улавяне

Протонът може да се превърне в неутрон чрез процес, наречен електронно улавяне или улавяне на К. Когато има голям брой протони в ядрото по отношение на броя на неутроните, електронът по правило пада от вътрешната електронна обвивка в ядрото. Електронът на орбитата се улавя от ядрото на майката, чиито продукти са дъщерно ядро ​​и неутрино. Атомният номер на полученото дъщерно ядро ​​се понижава с 1, но общият брой на протоните и неутроните остава същият.

Термоядрена реакция

Слабото взаимодействие участва в ядрения синтез - реакция, която подхранва слънцето и термоядрен (водород) бомба.

Първият етап от сливането на водорода е сблъсъкът на два протона с достатъчна сила, за да преодолее взаимното отблъскване, което преживяват поради тяхното електромагнитно взаимодействие.

Ако двете частици са разположени близо един до друг, силното взаимодействие може да ги обвърже. Това създава нестабилна форма на хелий (²He), който има ядро ​​с два протона, за разлика от стабилната форма (⁴Той), който има два неутрона и два протона.

На следващия етап в играта влиза слабо взаимодействие. Поради свръхпроизводството на протони, един от тях претърпява бета разпадане. След това, други реакции, включително междинно образуване и сливане ³Не, в дългосрочен план, да се образува стабилна ⁴Не.