Фундаментальні взаємодії у мікросвіті

Як ви знаєте, початок дослідженню атомного ядра поклало відкриття Антуаном Беккерелем в 1896 р радіоактивності уранової руди.
Як з’ясувалося пізніше, β-випромінювання являє собою потік електронів, γ-випромінювання – потік фотонів дуже короткої довжини хвилі, а α-випромінювання – потік ядер атома гелію. Саме а-випромінювання дало в руки експериментаторів потужне знаряддя дослідження атомних ядер. Розганяючи α-частинки електричним полем до високих енергій і бомбардуючи ними атомні ядра, фізики стимулювали ядерні реакції, що давали ключ до вивчення процесів, що відбуваються в ядрі.
За допомогою цього методу були відкриті нові нейтральні частинки з масою, приблизно рівною масі протона. Після цього Дмитро Дмитрович Іваненко та Вернер Гейзенберг запропонували протон-нейтронну модель ядра. Відповідно до цієї моделлю ядро ​​складається з двох типів часток: протонів і нейтронів. Маси цих частинок приблизно рівні, але, на відміну від позитивно зарядженого протона, нейтрон – частинка, яка не має заряду. Пізніше обидві ці частинки стали називати нуклонами.
Що ж утримує нуклони в ядрі і не дає їм розлетітися? При таких малих відстанях між протонами електричні сили, розштовхують їх, виявляються величезними. Що стосується гравітаційних сил, то найпростіші оцінки показують, що для мікрочастинок вони настільки малі, що їх можна не враховувати. В результаті виникла гіпотеза про існування нового фундаментального взаємодії, яке назвали сильною взаємодією. Оскільки це взаємодія проявляється тільки всередині ядра, воно має бути короткодействующим, т. Е., Будучи значним при відстанях порядку розміру ядра, швидко витікати при збільшенні цієї відстані. Саме сильна взаємодія визначає перебіг всіх ядерних реакцій.
Важливою характеристикою сильної взаємодії є те, що воно діє не між будь-якими частками. Наприклад, на електрон це взаємодія не впливає. Частинки, які беруть участь у сильній взаємодії, згодом стали називати адронами, а частки, що не беруть участь у сильній взаємодії, – лептонами.
Сильна взаємодія забезпечує зв’язок нуклонів в атомному ядрі. Це короткодіючі взаємодія проявляється лише на малих відстанях, порядку 10-13 см. Енергія цих взаємодій виділяється, зокрема, при протіканні ядерних реакцій.
Нейтронів, нейтрино і слабких взаємодіях. Подальші дослідження показали, що нейтрони, що живуть в ядрі як завгодно довго, без ядра можуть жити дуже нетривалий час, приблизно 1000 с. Потім нейтрон розпадається, і в якості продуктів розпаду спостерігають протон і електрон. Саме це перетворення і відповідально за β-розпад ядер: спочатку нейтрон в ядрі перетворюється на протон і електрон, а потім електрон вилітає з ядра.
Розпад нейтрона виявився дуже корисним для розвитку науки про мікросвіт. Розрахунки показали, що при розпаді нейтрона на протон і електрон не виконується закон збереження енергії, енергія після реакції виявлялася менше енергії до реакції. Цей висновок можна зробити, визначаючи масу нейтрона і продуктів розпаду і застосовуючи виведене співвідношення. зв’язує масу частинок і енергію: Е = mс2.
Вчені настільки довіряли закону збереження енергії, що фізик Вольфганг Паулі в 1931 р висловив гіпотезу про те, що в процесі розпаду нейтрона виникає ще одна, не реєстрована приладами частинка, яка і забирає частину енергії. Цю частку назвали нейтрино Пряме дослідне підтвердження існування нейтрино було отримано лише в 1957 р
Але з яким взаємодією пов’язана внутрішня енергія, що виділяється при розпаді нейтрона? Ядерні реакції, подібно хімічним реакціям, мають властивість оборотності. У зворотної реакції протон, електрон і нейтрино повинні взаємодіяти між собою. Але, як уже говорилося, електрон не бере участі в сильній взаємодії. Нейтрино ж не бере участі в електромагнітній взаємодії. З цих міркувань виникла гіпотеза про існування ще одного фундаментального взаємодії. Оскільки енергія, що вивільняється при розпаді нейтрона, істотно менше, ніж енергія, що виділяється при ядерних реакціях за участю сильної взаємодії, нова взаємодія назвали слабкою взаємодією. Слабка взаємодія настільки ж універсально, як і гравітаційне, в ньому беруть участь всі частинки. Як і сильну взаємодію, воно короткодіючі, т. Е. Практично зникаюче на відстанях, великих 10-16 см. При тих відстанях, на яких виконує свою роботу сильна взаємодія всередині ядра, слабка взаємодія дуже мало. Однак при зменшенні відстані між частинками слабку і сильну взаємодії зближуються за величиною.
Слабка взаємодія – універсальне взаємодія між будь-якими частками Це короткодіючі взаємодія, що виявляється на відстанях, менших 10-16 см. Воно відповідально за перетворення одних мікрочастинок в інші.
НАВІЩО НАМ ЦЕ ПОТРІБНО. Може здатися, що мікросвіт – це щось абстрактне і не пов’язане з нами. Ну що зміниться в нашому житті, якщо якесь із взаємодій зникне? Спробуємо розібратися, навіщо нам потрібно кожне з чотирьох фундаментальних взаємодій.
Про роль гравітаційної взаємодії ви, без сумніву, можете розповісти самі. Саме ця взаємодія утримує нас на поверхні Землі, а саму Землю – на орбіті навколо Сонця. Якби воно зникло, ми полетіли б у мляві простори космосу.
Електромагнітна взаємодія – це не тільки електрика і електроніка, без чого неможливе життя сучасної цивілізації. Ця взаємодія було так само необхідно печерній людині, як і нам з вами. Саме електромагнітне взаємодія пов’язує електрони і ядра в атомах, молекулах і кристалах. Саме воно відповідально за всі хімічні реакції, у тому числі і за реакції, що протікають в живих організмах. Зникне воно – зникне життя.
Про роль сильної взаємодії ви повинні знати з курсу фізики. Саме воно є джерелом енергії Сонця та інших зірок. Однак це ще не все. Не будь сильної взаємодії, з усіх ядер атомів залишилися б тільки найпростіші – ядра атома водню, т. Е. Протони. Життя на основі тільки атомів і молекул водню, звичайно, неможлива. Зникни сильна взаємодія, і ми перетворимося на молекулярний водень.
Роль слабкої взаємодії пояснити дещо складніше. Як вже говорилося, життя усім земним організмам дає енергія Сонця, яка виділяється при ядерних реакціях в надрах Сонця. У цих реакціях при злитті легких ядер утворюються важкі ядра. Найперша з ланцюжка таких реакцій – це реакція перетворення протона в нейтрон, позитрон (античастицу електрона) і нейтрино, що відбувається при зіткненні двох протонів. За цю реакцію як раз і відповідає слабка взаємодія. Не будь цієї реакції, горіння зірок просто припинилося б.

Посилання на основну публікацію