Силы взаимодействия между частицами

В предыдущих статьях мы уделяли много внимания элементарным частицам, из которых состоит Вселенная и тела в ней — от атома до сверхгалактик. Мы узнали о свойствах отдельных элементарных частиц. Теперь рассмотрим силы взаимодействия между частицами — это связующее начало Вселенной.

Силы взаимодействия между частицами — связующее Вселенной

Между элементарными частицами, из которых состоят тела, действуют следующие силы взаимодействия:

  1. силы ядерного взаимодействия,
  2. силы электрического взаимодействия,
  3. силы слабого взаимодействия
  4. и силы гравитационного взаимодействия.

Каждая элементарная частица подчиняется хотя бы одной из названных сил.

Именно эти четыре силы взаимодействия между частицами являются связующим началом космоса, без которого невозможно существование предметов, атомов, растений,звезд.

Пространство вокруг частицы, где действует эта сила, называется силовым полем частицы. Его величина зависит от вида взаимодействия:

  • Ядерное поле необычайно мало, так как ядерная сила взаимодействия действует лишь в непосредственной близости частицы, на расстоянии примерно одного ферми.
  • Гравитационное поле, напротив, простирается на большие расстояния. Эта сила взаимодействия, несмотря на то, что она слаба, распространяется на многие миллионы световых лет.

Все эти силы взаимодействия как бы берут свое начало в соответствующих элементарных частицах. Поэтому говорят, что элементарная частица является источником силы или поля. Например, частицы с электрическим зарядом окружены электрическим полем. Это значит, что электрический заряд частицы — источник ее электрического поля.

Силы взаимодействия между частицами будут в статьях обозначаться разным цветом
Рис.31-1. Силы взаимодействия между частицами на иллюстрациях в статьях будем обозначать: зеленым цветом — гравитационное взаимодействие, желтым — электромагнитное, коричневым — ядерное взаимодействие.

Подобным образом адроны (барионы и мезоны) служат источником ядерного поля. И все частицы вообще служат источником гравитационного поля. Каждое поле, окружающее частицу, обладает энергией.

Представьте себе, что мы внезапно устраним частицу. На какое-то время поле сделается обособленным, а потом станет расширяться независимо от частицы, бывшей его источником. Оно превратится в сгустки энергии, называемые квазичастицами или полевыми частицами. В ядерном поле образуются мезоны, в электрическом — фотоны, в поле слабого взаимодействия — W-частицы, в гравитационном — гравитоны.

Обозначение взаимодействия между частицами
Рис.31-2. Белой полосатой стрелкой будем изображать — центробежную силу, оранжевой — энергию, а излучение (фотоны) — белой волнистой стрелкой.

Обратите внимание на то, что все эти квазичастицы являются бозонами (см.табл.14). Таким образом, квазичастицы обладают нулевым или целым спином. Они могут иметь электрический заряд (например, мезоны π+, π, К+, К) или не иметь (например, мезоны π°, К°, К~° и фотон). Их масса покоя равна нулю (фотон, гравитон) или во много раз больше массы электрона (мезоны, W-частицы).

Снова напомним, что W-бозон самый тяжелый из всех частиц, так же как его масса покоя почти в сто раз больше чем масса покоя протона.

Силы взаимодействия и отвечающие за них частицы
Рис.32

Основные свойства четырех сил, составляющих основу Вселенной показывает рисунок 32.

Силы ядерного взаимодействия между частицами

Ядерное взаимодействие — самое сильное из всех. Однако радиус его действия очень невелик (10-15 м, что составляет 1 ферми или одну биллионную мили-метра). Источником  сил ядерного взаимодействия являются адроны (барионы и мезоны).

Силы ядерного взаимодействия между частицами
Рис.33. Радиус действия ядерных сил равен 1 ферми. Коричневая стрелка обозначает длину 1 ферми, т.е. одну биллионную миллиметра.

Например, если два протона приблизятся друг к другу на расстояние одного ферми, что равняется их диаметру, могучая ядерная сила начнет притягивать их друг к другу (рис. 33). Эта сила, действующая на таком незначительном расстоянии, во много раз превышает их электрическую силу отталкивания.

Ядерная сила связывает нуклоны и образует из них ядро атома. Она обеспечивает устойчивость ядра к внешним влияниям.

С помощью ядерного взаимодействия из протонов (ядер водорода) образовались ядра всех более сложных элементов. Возникновение ядер тяжелых атомов (вплоть до железа) происходит и в настоящее время в недрах звезд.

Таким образом, в космосе уменьшается количество водорода и растет количество тяжелых элементов. Это превращение, происходящее под влиянием ядерного взаимодействия называется химическое старение космоса.

При возникновении тяжелых ядер освобождается из протонов энергия, являющаяся источником излучения звезд. Звезды — это гигантские ядерные реакторы. Почти вся энергия на поверхности Земли имеет солнечное происхождение. Она освободилась в солнечных недрах в результате превращения водорода в гелий с помощью ядерного взаимодействия.

Химическое старение космоса — это процесс превращения лёгких элементов во все более тяжелые: водород превращается в гелий, гелий превращается в литий и т.д. до железа.

Силы электрического взаимодействия между частицами

Самые главные частицы, из которых состоит космос — протоны и электроны, имеют электрический заряд. Тем не менее, всё в той же таблице 14 мы видим, что и другие частицы и античастицы электрически заряжены.

Электрические заряды у частиц одинаковые
Рис.34. Природа справедливо наделила каждую частицу одинаковым электрическим зарядом.

Заряд частиц может быть равен только двум величинам: +1.6*10-19 кулона (например, заряд протона или позитрона) или -1.6*10-19 кулона (например, заряд электрона или антипротона).

Масса покоя частиц при одинаковой величине заряда может быть различной. Удивительно, с какой точностью наделены все заряженные частицы в космосе элементарным зарядом одинаковой величины без различия их массы.

Электроны могут переходить с одного тела на другое.

Например, если мы потрем стеклянную палочку шелковым платком, электроны перейдут с палочки на платок. Таким образом, в палочке будет недостаток электронов и избыток протонов. Это значит, что она заряжена положительно. И наоборот, платок содержит больше электронов, чем протонов, и поэтому заряжен отрицательно.

Если мы теперь приложим шелковый платок к стеклянной палочке, то электроны снова «перебегут» на нее, то есть на каждый протон опять приходится один электрон. Итак, ни платок, ни стеклянная палочка не имеют заряда: они нейтральны.

Электрический заряд элементарной частицы служит источником электрических сил и электрического поля.

Притяжение и отталкивание электромагнитной силой
Рис.35. Электромагнитная сила может отталкивать и притягивать.

Между заряженными частицами действует электрическая сила. Если знак их зарядов одинаков, то они отталкиваются друг от друга. Если же заряды противоположны по знаку то они притягиваются.

Возникновение электромагнитного поля
Рис.36. Возникновение электромагнитного поля. Заряженная частица (например, протон) окружена электрическим полем (изображено только у протона слева, как белое окружающее пространство). При движении образуется магнитное поле (обозначены лишь две круговые магнитные силовые линии). Если заряженная частица останавливается, то она излучает фотоны (обозначены волнистыми стрелками справа).

При движении заряженных частиц, обычно электронов, вокруг них возникает магнитное поле, в котором действуют магнитные силы (рис. 36). Если мы сильно ускорим или замедлим движение электрически заряженных частиц, то они начинают излучать фотоны — кванты электромагнитного поля.

Поток электрически заряженных частиц, например, поток электронов в медной проволоке, мы называем электрическим током.

Силы электрического взаимодействияявляется очень важными для структуры тел.

С их помощью положительно заряженное ядро притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. Так возникает атом. Сила электрического взаимодействия связывает атомы между собой и тем самым создает молекулы, а из молекул — кристаллы, пылинки, капли воды и живые организмы, начиная от простейших и кончая человеком.

В больших телах, например, в скале, комете, малой планете или естественном спутнике (до 500 км в диаметре), молекулы связаны между собой прежде всего силой электрического взатмодействия. Поэтому их форма часто бывает неправильной. Хотя молекулы их связаны и силой гравитационного взаимодействия, однако для того, чтобы эти тела приобрели круглую форму, ее недостаточно.

Сила электрического взаимодействия и связанная с ней магнитная сила проявляются в разных видах:

  • строение электронной оболочки атома,
  • свойства молекул,
  • связь молекул в кристалле,
  • различные химические и физические свойства газов, жидкостей и твердых тел,
  • твердость, прозрачность и непрозрачность вещества,
  • чувственные восприятия,
  • нервные возбуждения,
  • работа нашего мозга и мышц,

а также многие другие явления и процессы на Земле и в космосе вызваны силой электрического взаимодействия электрона и протона.

Силы слабого взаимодействия между частицами

В то время как действие ядерных сил ограничено расстоянием вокруг адронов, слабое ядерное взаимодействие происходит внутри частиц. Радиус их действия (10-17м) в сто раз меньше, чем у сил ядерных (10-15м). Так как величина частиц около 10-15м, то очевидно, что слабое взаимодействие происходит в самом их центре.

Наиболее известными видами слабого взаимодействия являются те, при которых возникают нейтрино и антинейтрино. Два примера, приводимые нами ниже, известны под названием бета-распада.

Свободный, не связанный в ядре нейтрон (n) в результате слабого взаимодействия распадается на три частицы:

  1. протон (p),
  2. электрон (e )
  3. и электронное антинейтрино (ν~e).

Этот распад выглядит таким образом:

n —> p + e + ν~e

Раньше электрон называли бета-частицей (β‾ — частица), отсюда распад нейтрона называется бета-распад (β‾ — распад). Время распада свободного нейтрона — около 10 минут. Этот процесс может произойти и в атомном ядре, и длится он доли секунды или, напротив, очень долго, в зависимости от вида ядра.

Некоторые радиоактивные ядра излучают позитрон (β+ — частица). В результате слабого взаимодействия протон в них распадается на:

  1. нейтрон (n),
  2. позитрон (e+)
  3. и электронное нейтрино (νe).

Происходит следующее:

p —> n + e+ + νe (только в ядре)

Свободный протон, не связанный в ядре, не может распасться сам по себе, потому что он обладает относительно малой массой. Но будучи в ядре он способен распасться, т.к. там он получает необходимую массу и энергию от других нуклонов.

Примером распада протона в ядре может служить бета-распад (β+ — распад):
116С —> 115В + е+ + ve

где:
С — ядро углерода, содержащее 11 нуклонов (число наверху), из них 6 протонов (число внизу).
В — ядро бора с пятью протонами и шестью нейтронами, т.е. в общей сложности с одиннадцатью нуклонами.

При β-распаде ядра углерода в результате слабого взаимодействия один протон превратился в нейтрон, позитрон и нейтрино.

Но вернемся вновь к двум превращениям, которые произошли в результате слабого взаимодействия. Обратим внимание на то, что нейтрино обозначено символом νe, а его античастица, антинейтрино, обозначается также, но с волнистой линией сверху, которая означает „анти“, т.е. ν~e. Волнистой линией обозначаются и другие античастицы.

Эти два распада являются наглядным примером сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов.

Нейтрон не имеет электрического заряда, и частицы, возникшие при его распаде (находящиеся в правой части соотношения), имеют электрический заряд +1 (протон p), -1 (электрон e) и 0 (антинейтрино ν~e). Таким образом, сумма электрических зарядов в правой части равна нулю.

Бета распад нейтрона
Рис.37. Распад нейтрона (бета-распад). Электрический заряд Q и барионное число N, как и лептонное число L, сохраняются.

Тот же самый принцип действует и при распаде протона. Несмотря на все превращения, происходящие в космосе, сумма электрических зарядов остается неизменной.

Распад протона в результате действия силы слабого взаимодействия
Рис.38. Распад протона в результате действия силы слабого взаимодействия.

Подобным же образом мы могли бы убедиться в сохранении барионного и лептонного заряда.

Напомним, что величина барионного заряда нейтрона и протона равна +1, а лептонного — нулю. Барионный заряд электрона и нейтрино — нулевой, а лептонный равен +1. У обоих антилептонов: ν~e(антинейтрино) и е+ (позитрон) барионный заряд нулевой, а лептонный -1.

Итак в обоих случаях радиоактивного распада барионный заряд до и после распада составляет +1. Лептонный заряд до распада равен нулю, и сумма лептонных зарядов возникших частиц тоже равна нулю.

При распаде ядра углерода эти три заряда элементарных частиц, разумеется, сохраняются. В этом легко убедиться: в левой части соотношения одиннадцать барионных зарядов, шесть положительных электрических зарядов и ни одного лептонного. И после распада сохраняются одиннадцать барионных зарядов (в ядре бора), шесть положительных электрических зарядов (пять в ядре бора и один в позитроне), а сумма лептонных зарядов (—1 в позитроне и +1 в нейтрино) равна нулю.

Обратим внимание еще на одно обстоятельство. В результате распада нейтрона и протона возникли электрон и позитрон и, что особенно важно, возникли электронное нейтрино и электронное антинейтрино.

При возникновении или исчезновении электрона или позитрона всегда участвуют электронное нейтрино и электронное антинейтрино. И наоборот, при возникновении и превращении мюонов (μ и μ+) появляется мюонное нейтрино и мюонное антинейтрино (νμ и ν~μ ).

Приведем в качестве примера распад пионов:

π —> μ + ν~μ
π+ —> μ+ + νμ

В процессе этих превращений лептонный заряд сохраняется, в чем нетрудно убедиться. Мезоны π и π+ обладают нулевым лептонным зарядом, μ + νμ имеют лептонный заряд +1, в то время как μ+ и ν~μ — антилептоны, и их лептонный заряд равен -1.

Распад пи-мезонов.
Рис.39. Распад π- -мезонов.

Еще интереснее выглядит распад мюона. В процессе его возникает мюонное нейтрино и мюонное антинейтрино (νμ и ν~μ). Так как в результате распада возникает электрон или позитрон, то должны появиться электронное нейтрино и электронное антинейтрино. То есть:

μ —> e + ν~e + νμ
μ+ —> e+ + νe + ν~μ

И этот пример полностью подтверждает действие закона сохранения лептонного заряда при распаде мюона. Более того, лептонный заряд сохраняется отдельно в электронной группе (е, е+, νe, ν~e) и, независимо от этого, в группе мюонов (μ, μ+, νμ, ν~μ).

Распад мюонов
Рис.40. Распад мюонов.

Все четыре вида нейтрино рождаются на Земле, в атмосфере Земли, при распаде в космическом излучении π-мезонов и мюонов, при термоядерных реакциях на Солнце и других звездах, в раскаленных недрах тяжелых и сверхтяжелых звезд, а также в космическом пространстве при столкновении космического излучения с межзвездным газом.

Мы привели несколько примеров слабого взаимодействия, при котором возникает нейтрино. Нам еще предстоит встретиться с ним в следующих статьях.

По отношению ко всем другим частицам нейтрино ведет себя весьма апатично. В этом положении кроются известные выгоды и невыгоды. После своего появления на свет при слабом взаимодействии, оно летит в космическом пространстве и его лихорадочный полет почти никогда не кончается.

Оно пролетает звездами, планетами, галактиками, не обращая на них внимания. Однако нейтрино — наша единственная надежда наблюдать в будущем процессы, происходящие в самом центре Солнца и других звезд.

Когда ученые смогут сконструировать чувствительные детекторы нейтрино и антинейтрино, тогда можно будет определить, сколько антивещества, антизвезд и антигалактик в космосе.

Звезды, состоящие из обычных частиц (протонов, электронов и нейтронов), служат источником электронных нейтрино, т.к. в них происходит распад протонов на нейтроны (рис. 38). И наоборот, антизвезды, состоящие из антипротонов, антинейтронов и позитронов, излучают электронные антинейтрино, потому что отрицательные антипротоны (p~) распадаются в них на антинейтроны (n~), электроны и антинейтрино:

p~ —> n~ + e + ν~e

Здесь мы снова встречаемся с подтверждением закона сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов.

Фотон никогда не в состоянии сообщить нам, откуда он прилетел: со звезды или антизвезды, потому что звезда излучает такие же фотоны, как и антизвезда. Итак, фотон и антифотон — абсолютно похожие частицы. Только нейтрино и антинейтрино помогут нам определить, что представляет собой объект наблюдения: звезду или антизвезду.

Силы гравитационного взаимодействия между частицами

Чтобы статья не получилась слишком громоздкой, гравитационное взаимодействие между частицами описано в отдельной статье — «Гравитационное взаимодействие частиц«.

Итоги статьи «Силы взаимодействия между частицами»

В заключение подытожим основное, что нам известно про силы взаимодействия между частицами. Мы с Вами выяснили, между частицами существуют следующие силы взаимодействия:

  • ядерное взаимодействие,
  • электрическое взаимодействие,
  • слабое взаимодействие
  • и гравитационное взаимодействие (которое мы рассмотрим в следующей статье).

Силы слабого взаимодействия между частицами действуют в центре самих частиц и ответственны за их распад. При распаде возникают нейтрино четырех типов.

Силы ядерного (или сильного) взаимодействия между частицами — связывают адроны, благодаря им из протонов и нейтронов образуются ядра атомов. Они действуют в малом радиусе вокруг адронов (барионов и мезонов), но они очень мощные.

Источником силы электромагнитного взаимодействия между частицами служит электрический заряд. Электромагнитные силы связывают ядро и электроны в атом, атомы в молекулы, молекулы в кристаллы, скалы и малые небесные тела диаметром до 500 км. Под действием электромагнитных сил из молекул образуются органеллы, клетки, ткани, органы и организмы.

В то время как радиус действия сил слабого взаимодействия ограничивается необыкновенно малыми расстояниями в центре частиц (10-17м), сильное взаимодействие распространяется на расстояние одного ферми (10-15м) и участвует в образовании ядра в несколько ферми, силы электромагнитного взаимодействия обусловливают образование систем — начиная от атома и кончая малыми планетами и спутниками — т.е. от 10-10м (десятимиллионная милиметра) до пятисот километров. Другими словами, от системы двух частиц (протона и электрона в атоме водорода) до систем 1046 частиц в малых планетах и спутниках.

Для большего количества частиц преобладающей силой взаимодействия становится гравитация. Структура больших планет, например, Земли (1051 частиц), звезд и других тел во Вселенной с количеством частиц более чем 1046, обусловлена и подчинена исключительно гравитации.

Оцените статью
Добавить комментарий