Види взаємодії

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.3. Види взаємодії

Із фундаментальних сил у природі гравітаційні сили (тяжіння) були усвідомлені першими, для них була створена математично зрозуміла теорія – теорія Ньютона.

У теорії тяжіння Ньютона простір і час не мають тісного зв’язку, який було встановлено в теорії відносності Ейнштейна.

На початку XX ст. було відкрито два нових фундаментальних типи зв’язку: слабку взаємодію, яка зумовлює β-розпад, і сильну

взаємодію, що зв’язує протони і нейтрони в атомних ядрах. Ці типи зв’язку не були відкриті раніше, оскільки вони діють лише на малих субатомних відстанях, тоді як сили тяжіння і електромагнітні сили далекодіючі, радіус дії їх нескінченно великий.

Інтенсивність взаємодії прийнято характеризувати за допомогою так званої константи, яка є безрозмірним параметром, що визначає ймовірність процесів, зумовлених певним видом взаємодії. Відношення значень констант дає відносну інтенсивність відповідних

взаємодій.

Нині відомо чотири види взаємодії між частинками, а саме: гравітаційна, сильна, електромагнітна і слабка.

Гравітаційна взаємодія є найслабкішою з перелічених і в процесах мікросвіту істотного значення не має. Щоправда, сучасна теорія передбачає, що цей вид взаємодії можливо буде основним усередині елементарних частинок. Проте сучасна техніка експерименту не дає змоги проникнути в глибини частинок і перевірити висновки теорії. У зв’язку з цим обмежимося розглядом трьох видів взаємодії: сильної, електромагнітної і слабкої.

Сильна взаємодія характерна для важких елементарних частинок (протонів, нейтронів та ін.). Вона зумовлює зв’язок нуклонів у ядрі. Саме через це сильну взаємодію іноді називають ядерною. Особливістю ядерної взаємодії є мале значення радіуса дії ядерних сил, який становить близько 1 фермі (10-15 м).

Короткодія ядерних сил робить їх подібними до молекулярних сил, що дало змогу І. Є. Тамму 1933 р. висловити ідею про обмінний характер їх. Подальший розвиток цієї ідеї належить X. Юкаві, який 1935 р. розробив теорію обмінних сил. За теорією Юкави, ядерні сили (сильні взаємодії) зобов’язані своїм походженням деяким спеціальним частинкам – мезонам, якими обмінюються нуклони в ядрі. Цим віртуальним мезонам властива певна маса і дуже короткий час життя – 10-23 с. За цей час мезон, випромінений нуклоном, пролітає відстань близько 10-15 м, повертається назад і поглинається частинкою, що його породила. Якщо ж поблизу є інший нуклон, то він поглинає мезон і відразу випромінює його знову. Внаслідок такого обміну мезонами нуклони взаємодіють. Сильна взаємодія відбувається за ядерний час – час проходження світлом відстані, що дорівнює розміру атомного ядра, – 10-23 с і відзначається площею перерізу 10-31 м2. Інтенсивність взаємодії характеризується безрозмірною величиною – константою  Види взаємодії (g – стала мезон-нуклонної взаємодії). Інтенсивність сильної взаємодії має найбільше значення серед подібних констант:  Види взаємодії для π-мезонів і  Види взаємодії для К-мезонів. Сильній взаємодії властива незалежність від електричного заряду. У реакціях, що відбуваються за сильної взаємодії, зберігається максимальна кількість квантових чисел: баріонний і електричний заряди, ізотопічний спін, дивність, парність.

Електромагнітна взаємодія за своєю інтенсивністю в 102…103 разів слабша від сильної взаємодії і спостерігається між електрично зарядженими частинками. Нею зумовлені кулонівські сили, процеси народження електронно-позитронних пар γ-фотонами, розпад π-мезона на два γ-фотони та ін. Електромагнітні взаємодії характеризуються безрозмірною константою  Види взаємодії (е – заряд електрона).

Електромагнітні взаємодії найзручніші для експериментального і теоретичного дослідження. Вони вигідно відрізняються від слабких взаємодій тим, що тільки в сто разів слабші від сильних і, отже, мають майже ті самі порядки значень для перерізів взаємодії – 10-31…10-34 м, що і в ядерних взаємодіях. Великі інтенсивності пучків електронів і фотонів у прискорювачах дають змогу виміряти ці перерізи з великою точністю. Крім того, електромагнітні взаємодії відрізняються від сильних взаємодій тим, що вони досить слабкі (константа взаємодії набагато менша за одиницю). При цьому можна провести точні розрахунки і побудувати досить досконалу теорію електромагнітних взаємодій – квантову електродинаміку.

Природу електромагнітної взаємодії можна описати, якщо припустити, що електрони обмінюються фотонами подібно до того, як нуклони обмінюються π-мезонами. Тільки обмін фотонами відбувається не за 10-23 с, а за 10-20 с – характерний час електромагнітної взаємодії. На відміну від сильної взаємодії для електромагнітної взаємодії порушується закон збереження ізотопічного спіну.

Слабка взаємодія в 10-14 разів слабша від сильної. Цей тип взаємодії відповідальний за всі види β-розпаду ядер, за спонтанний розпад більшості елементарних частинок, за процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Слабкі взаємодії характеризуються безрозмірною константою  Види взаємодії де f – електронно-нейтринний заряд, що відповідає гіпотетичному полю слабких взаємодій. Відрізняють слабкі процеси за участю лептонів, які класифікуються за допомогою лептонного заряду, і слабкі процеси, що проходять зі зміною дивності й класифікуються за допомогою цього поняття. При цьому константа слабкої взаємодії однакова не лише для всіх видів лептонних процесів, а й у першому наближенні збігається також із константою взаємодії для процесів, що проходять зі зміною дивності.

Слабка взаємодія, як і сильна, є короткодіючою. Характерний час для слабкої взаємодії становить 10-10 с.

Вчені вважають, що слабка взаємодія має також обмінний характер і переноситься специфічним векторним мезонним полем. Йому відповідають три сорти заряджених і нейтральних проміжних векторних бозонів: W+, W – і Z°. Для слабкої взаємодії порушуються закони збереження ізотопічного спіну, дивності, парності (див. підрозділ 18.10).

Електромагнітні та гравітаційні взаємодії спадають обернено пропорційно квадрату відстані між частинками, а тому про якийсь певний радіус дії для них не йдеться. Водночас експериментальний характер залежності ядерних сил від відстані дає змогу визначити радіус їхньої дії – порядку 10-15 м. Ядерні сили в сотні разів інтенсивніші від електромагнітних, проте через малий радіус дії були виявлені зовсім недавно, коли фізичний експеримент дав змогу проникнути в середину атомного ядра. У табл. 18.1 наведено основні характеристики всіх взаємодій (q – електричний заряд, В – баріонний заряд, S – дивність, J – ізотопічний спін).

Таблиця 18.1

Взаємодія

Переносники

Інтенсивність

(константа)

Радіус, м

Переріз, м2

Характерний час, с

Величина, що зберігається

Сильна (ядерна)

Електромагнітна

Слабка

Гравітаційна

Глюони

Фотони

Проміжні бозони

Гравітони

 Види взаємодії

 Види взаємодії

 Види взаємодії

 Види взаємодії

 Види взаємодії




Види взаємодії