Esta interacción es la más débil de las interacciones fundamentales observadas experimentalmente en las desintegraciones de partículas elementales, donde los efectos cuánticos son fundamentalmente significativos. Recordemos que las manifestaciones cuánticas interacción gravitacional nunca han sido observados. Las interacciones débiles se resaltan usando siguiente regla: si en el proceso de interacción interviene una partícula elemental llamada neutrino (o antineutrino), entonces esta interacción es débil.
La interacción débil es mucho más intensa que la interacción gravitacional.
La interacción débil, a diferencia de la interacción gravitacional, es de corto alcance. Esto significa que la fuerza débil entre partículas sólo entra en juego si las partículas están lo suficientemente cerca unas de otras. Si la distancia entre partículas excede un cierto valor llamado radio característico de interacción, la interacción débil no se manifiesta. Se ha establecido experimentalmente que el radio característico de interacción débil es de unos 10-15 cm, es decir, la interacción débil se concentra a distancias tamaños más pequeños núcleo atómico.
¿Por qué podemos hablar de interacción débil como un tipo independiente de interacción fundamental? La respuesta es sencilla. Se ha establecido que existen procesos de transformación de partículas elementales que no se reducen a interacciones gravitacionales, electromagnéticas y fuertes. Buen ejemplo, que muestra que existen tres interacciones cualitativamente diferentes en los fenómenos nucleares, está asociado con la radiactividad. Los experimentos indican la presencia de tres varios tipos radiactividad: desintegraciones radiactivas a, b y g. En este caso, la desintegración a se debe a una fuerte interacción, la desintegración g se debe a una interacción electromagnética. La desintegración B restante no puede explicarse por las interacciones electromagnética y fuerte, y nos vemos obligados a aceptar que existe otra interacción fundamental, llamada débil. En el caso general, la necesidad de introducir una interacción débil se debe al hecho de que en la naturaleza ocurren procesos en los que las leyes de conservación prohíben las desintegraciones electromagnéticas y fuertes.
Aunque la interacción débil se concentra significativamente dentro del núcleo, tiene ciertas manifestaciones macroscópicas. Como ya hemos señalado, está asociado con el proceso de radioactividad b. Además, la interacción débil juega un papel importante en las llamadas reacciones termonucleares, responsables del mecanismo de liberación de energía en las estrellas.
La propiedad más sorprendente La interacción débil es la existencia de procesos en los que se manifiesta la asimetría del espejo. A primera vista, parece obvio que la diferencia entre los conceptos de izquierda y derecha es arbitraria. De hecho, los procesos de interacción gravitacional, electromagnética y fuerte son invariantes con respecto a la inversión espacial, que lleva a cabo la reflexión especular. Se dice que en tales procesos la paridad espacial P se conserva. Sin embargo, se ha establecido experimentalmente que los procesos débiles pueden proceder sin conservación de la paridad espacial y, por lo tanto, parecen sentir la diferencia entre izquierda y derecha. Actualmente, existe evidencia experimental sólida de que la no conservación de la paridad en interacciones débiles es de naturaleza universal y se manifiesta no sólo en la desintegración de partículas elementales, sino también en fenómenos nucleares e incluso atómicos; Debe reconocerse que la asimetría especular es una propiedad de la Naturaleza en el nivel más fundamental.
Todos los cuerpos cargados, todas las partículas elementales cargadas participan en la interacción electromagnética. En este sentido, es bastante universal. La teoría clásica de la interacción electromagnética es la electrodinámica maxwelliana. La carga del electrón e se toma como constante de acoplamiento.
Si consideramos dos cosas en reposo carga puntual q1 y q2, entonces su interacción electromagnética se reducirá a una fuerza electrostática conocida. Esto significa que la interacción es de largo alcance y decae lentamente a medida que aumenta la distancia entre las cargas. Una partícula cargada emite un fotón, lo que provoca que cambie su estado de movimiento. Otra partícula absorbe este fotón y también cambia su estado de movimiento. Como resultado, las partículas parecen sentir la presencia de otras. Es bien sabido que la carga eléctrica es una cantidad dimensional. Es conveniente introducir la constante de acoplamiento adimensional de la interacción electromagnética. Para hacer esto, necesita usar las constantes fundamentales y c. Como resultado, llegamos a la siguiente constante de acoplamiento adimensional, llamada física atómica estructura fina constante
Es fácil ver que esta constante excede significativamente las constantes de las interacciones gravitacionales y débiles.
Desde un punto de vista moderno, las interacciones electromagnéticas y débiles representan lados diferentes interacción electrodébil unificada. Se ha creado una teoría unificada de la interacción electrodébil: la teoría de Weinberg-Salam-Glashow, que explica todos los aspectos de las interacciones electrodébiles y electrodébiles desde una posición unificada. ¿Es posible comprender a nivel cualitativo cómo se produce la división de la interacción combinada en interacciones separadas, aparentemente independientes?
Mientras las energías características sean suficientemente pequeñas, las interacciones electromagnéticas y débiles están separadas y no se afectan entre sí. A medida que aumenta la energía, comienza su influencia mutua y, a energías suficientemente altas, estas interacciones se fusionan en una única interacción electrodébil. La energía de unificación característica se estima en orden de magnitud en 102 GeV (GeV es la abreviatura de gigaelectrón-voltio, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 · 10-12 ergio = 1,6 · 1019 J). A modo de comparación, observamos que la energía característica de un electrón en el estado fundamental de un átomo de hidrógeno es de aproximadamente 10-8 GeV, la energía de enlace característica de un núcleo atómico es de aproximadamente 10-2 GeV y la energía de enlace característica de un sólido. es de aproximadamente 10-10 GeV. Por tanto, la energía característica de la combinación de interacciones electromagnéticas y débiles es enorme en comparación con las energías características de la física atómica y nuclear. Por esta razón, las interacciones electromagnéticas y débiles no manifiestan su esencia única en los fenómenos físicos ordinarios.
La interacción fuerte es responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos. Dado que los núcleos atómicos de la mayoría elementos quimicos son estables, está claro que la interacción que evita que se descompongan debe ser bastante fuerte. Es bien sabido que los núcleos están formados por protones y neutrones. Para evitar que los protones cargados positivamente se separen lados diferentes, es necesario que existan fuerzas de atracción entre ellos que superen las fuerzas de repulsión electrostática. Es la interacción fuerte la responsable de estas fuerzas de atracción.
Un rasgo característico de la interacción fuerte es su independencia de carga. Las fuerzas nucleares de atracción entre protones, entre neutrones y entre un protón y un neutrón son esencialmente las mismas. De ello se deduce que desde el punto de vista de las interacciones fuertes, un protón y un neutrón son indistinguibles y para ellos se utiliza el término único nucleón, es decir, partícula nuclear.
Entonces, hemos revisado la información básica sobre las cuatro interacciones fundamentales de la Naturaleza. Se describen brevemente las manifestaciones microscópicas y macroscópicas de estas interacciones y la imagen de los fenómenos físicos en los que desempeñan un papel importante.
MINISTERIO DE EDUCACIÓN Y CIENCIA DE RUSIA
Presupuesto del estado federal institución educativa
educación profesional superior
"Universidad Electrotécnica Estatal de San Petersburgo "LETI" que lleva el nombre de V. I. Ulyanov (Lenin)"
(SPbGETU)
Facultad de Economía y Gestión
Departamento de Física
En la disciplina "Conceptos" ciencia natural moderna"
sobre el tema "Interacción débil"
Comprobado:
Altmark Alexander Moiseevich
Terminado:
estudiante gr. 3603
Kolisetskaya María Vladimirovna
San Petersburgo
1. La interacción débil es una de las cuatro interacciones fundamentales.
Historia del estudio
Papel en la naturaleza
La fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales.
La fuerza débil, o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales
La interacción débil es de corto alcance: se manifiesta a distancias mucho menores que el tamaño del núcleo atómico.
Los bosones vectoriales son portadores de la interacción débil.
Por primera vez se observaron interacciones débiles durante la desintegración de los núcleos atómicos. Y resultó que estas desintegraciones están asociadas con la transformación de un protón en un neutrón en el núcleo y viceversa:
r? n + mi+ + ?mi, n ? p + e- + e,
donde n es un neutrón, p es un protón, e- es un electrón, ??e es un antineutrino electrónico.
Las partículas elementales suelen dividirse en tres grupos:
) fotones; este grupo consta de una sola partícula: un fotón, un cuanto radiación electromagnética;
) leptones (del griego “leptos” - luz), que participan solo en interacciones electromagnéticas y débiles. Los leptones incluyen el electrón y el neutrino muónico, el electrón, el muón y el leptón pesado descubierto en 1975: el leptón t, o taón, con una masa de aproximadamente 3487 me, así como sus correspondientes antipartículas. El nombre de leptones se debe a que las masas de los primeros leptones conocidos eran menores que las masas de todas las demás partículas. Los leptones también incluyen el neutrino secreto, cuya existencia en últimamente también instalado;
) hadrones (del griego “adros” - grandes, fuertes). Los hadrones tienen interacciones fuertes junto con interacciones electromagnéticas y débiles. De las partículas discutidas anteriormente, estas incluyen el protón, el neutrón, los piones y los kaones.
Propiedades de la interacción débil.
La interacción débil tiene propiedades distintivas:
Todos los fermiones fundamentales participan en interacciones débiles.
La operación P cambia el signo de cualquier vector polar.
La operación de inversión espacial transforma el sistema en uno simétrico en espejo. La simetría especular se observa en procesos bajo la influencia de interacciones fuertes y electromagnéticas. La simetría especular en estos procesos significa que en estados simétricos especulares las transiciones se realizan con la misma probabilidad.
G.? Yang Zhenning y Li Zongdao recibieron Premio Nobel en física. Por sus profundos estudios de las llamadas leyes de paridad, que llevaron a descubrimientos importantes en el campo de las partículas elementales.
Además de la paridad espacial, la interacción débil tampoco preserva la paridad combinada de carga espacial, es decir, la única interacción conocida viola el principio de invariancia CP
La simetría de carga significa que si hay algún proceso que involucra partículas, cuando estas son reemplazadas por antipartículas (conjugación de carga), el proceso también existe y ocurre con la misma probabilidad. La simetría de carga está ausente en los procesos que involucran neutrinos y antineutrinos. En la naturaleza sólo existen neutrinos zurdos y antineutrinos diestros. Si cada una de estas partículas (para mayor precisión, consideramos el neutrino electrónico? e y el antineutrino e) se somete a la operación de conjugación de carga, entonces se convertirán en objetos inexistentes con números de leptones y helicidades.
Por tanto, en interacciones débiles, la invariancia P y C se violan simultáneamente. Sin embargo, ¿qué pasa si se realizan dos operaciones consecutivas sobre un neutrino (antineutrino)? Transformaciones P y C (el orden de las operaciones no es importante), luego obtenemos nuevamente neutrinos que existen en la naturaleza. Secuencia de operaciones y (o en orden inverso) se llama transformación CP. El resultado de la transformación CP (inversión combinada) de ?e y e es el siguiente:
Así, para neutrinos y antineutrinos, la operación que transforma una partícula en antipartícula no es una operación de conjugación de carga, sino una transformación CP.
Historia del estudio
El estudio de las interacciones débiles continuó durante un largo período.
En 1896, Becquerel descubrió que las sales de uranio emiten radiación penetrante (desintegración γ del torio). Este fue el comienzo del estudio de las interacciones débiles.
En 1930, Pauli propuso la hipótesis de que durante la desintegración de ?, junto con los electrones (e), ¿se emiten partículas ligeras neutras? neutrino (?). Ese mismo año, Fermi propuso una teoría cuántica de campos de la desintegración β. La desintegración de un neutrón (n) es consecuencia de la interacción de dos corrientes: la corriente hadrónica convierte un neutrón en un protón (p), la corriente leptónica produce un par electrón + neutrino. En 1956, Reines observó por primera vez la reacción de er? ne+ en experimentos cerca reactor nuclear.
Lee y Yang explicaron la paradoja de las desintegraciones de los mesones K+ (? ~ ? misterio)? se descompone en 2 y 3 piones. Se asocia con la no conservación de la paridad espacial. Se ha descubierto asimetría especular en la desintegración β de núcleos, en la desintegración de muones, piones, mesones K e hiperones.
En 1957, Gell-Mann, Feynman, Marshak y Sudarshan propusieron una teoría universal de interacción débil basada en la estructura de los quarks de los hadrones. Esta teoría, llamada Teorías VA, llevó a la descripción de la interacción débil utilizando diagramas de Feynman. Al mismo tiempo, se descubrieron fenómenos fundamentalmente nuevos: violación de la invariancia CP y corrientes neutrales.
En la década de 1960, de Sheldon Lee Glashow
En 1991-2001, se llevó a cabo un estudio de las desintegraciones de los bosones Z0 en el acelerador LEP2 (CERN), que demostró que en la naturaleza solo existen tres generaciones de leptones: ?e, ?? ¿¿Y??.
Papel en la naturaleza
la interacción nuclear es débil
El proceso más común causado por una interacción débil es la desintegración B de núcleos atómicos radiactivos. Fenómeno de radiactividad<#"justify">Lista de literatura usada
1. Novozhilov Yu.V. Introducción a la teoría de las partículas elementales. M.: Nauka, 1972
Okun B. Interacción débil de partículas elementales. M.: Fizmatgiz, 1963
Interacción débil
Fuerte interacción
La interacción fuerte es de acción corta. Su rango de acción es de unos 10-13 cm.
Las partículas que participan en interacciones fuertes se denominan hadrones. En una sustancia estable ordinaria, no demasiado. temperatura alta La interacción fuerte no causa ningún proceso. Su función es crear un enlace fuerte entre los nucleones (protones y neutrones) en los núcleos. La energía de enlace tiene un promedio de aproximadamente 8 MeV por nucleón. Además, en colisiones de núcleos o nucleones con suficiente alta energía(del orden de cientos de MeV), una interacción fuerte conduce a numerosos reacciones nucleares: fisión de núcleos, transformación de unos núcleos en otros, etc.
A partir de energías de nucleones en colisión del orden de varios cientos de MeV, una fuerte interacción conduce a la producción de mesones P. A energías aún más altas, nacen mesones K e hiperones, y muchas resonancias de mesones y bariones (las resonancias son estados excitados de hadrones de corta duración).
Al mismo tiempo, resultó que no todas las partículas experimentan una interacción fuerte. Así, los protones y neutrones lo experimentan, pero los electrones, neutrinos y fotones no están sujetos a él. Por lo general, en las interacciones fuertes sólo participan partículas pesadas.
Ha sido difícil desarrollar una explicación teórica de la naturaleza de la interacción fuerte. Sólo a principios de la década de 1960 se produjo un gran avance, cuando se propuso el modelo de quarks. En esta teoría, los neutrones y los protones no se consideran partículas elementales, sino sistemas compuestos, construido a partir de quarks
Los cuantos de interacción fuerte son ocho gluones. Los gluones reciben su nombre de palabra inglesa pegamento (pegamento), porque son los responsables del confinamiento de los quarks. Las masas restantes de los gluones son cero. Al mismo tiempo, los gluones tienen una carga coloreada, por lo que son capaces de interactuar entre sí, como dicen, de autointeracción, lo que dificulta la descripción matemática de la interacción fuerte debido a su no linealidad.
Su rango de acción es inferior a 10-15 cm. La interacción débil es varios órdenes de magnitud más débil no sólo que la fuerte, sino también la electromagnética. Además, es mucho más fuerte que la fuerza gravitacional en el microcosmos.
El primer proceso descubierto y más común causado por la interacción débil es la desintegración nuclear radioactiva.
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Este tipo de radiactividad fue descubierta en 1896 por A.A. Becquerelem. Durante el proceso de desintegración del electrón radiactivo /b - -/, uno de los neutrones / norte/ el núcleo atómico se convierte en un protón / r/ con emisión de electrones / mi-/ y antineutrino electrónico //:
n ® p + e-+
Durante el proceso de desintegración positrónica de /b + -/ se produce la siguiente transición:
p® n + e++
En la primera teoría de la desintegración b, creada en 1934 por E. Fermi, para explicar este fenómeno fue necesario introducir la hipótesis de la existencia de un tipo especial de fuerzas de corto alcance que provocan la transición.
n ® p + e-+
Investigaciones posteriores demostraron que la interacción introducida por Fermi tiene un carácter universal.
Publicado en ref.rf
Provoca la desintegración de todas las partículas inestables, cuyas masas y reglas de selección basadas en números cuánticos no les permiten desintegrarse debido a una interacción fuerte o electromagnética. La interacción débil es inherente a todas las partículas excepto a los fotones. El tiempo característico de los procesos de interacción débil a energías del orden de 100 MeV es 13-14 órdenes de magnitud más largo que el tiempo característico de la interacción fuerte.
Los cuantos de interacción débil son tres bosones: bosones W +, W −, Z°-. Los superíndices indican signo carga electrica estos cuantos. Los cuantos de interacción débil tienen una masa significativa, lo que lleva al hecho de que la interacción débil se manifiesta a distancias muy cortas.
Hay que tener en cuenta que hoy en día las interacciones débiles y electromagnéticas ya se combinan en una única teoría. Hay una serie de esquemas teóricos que intentan crear una teoría unificada de todos los tipos de interacción. Sin embargo, estos esquemas aún no se han desarrollado lo suficiente como para probarlos experimentalmente.
26. Física estructural. Aproximación corpuscular a la descripción y explicación de la naturaleza. Reduccionismo
Los objetos de la física estructural son los elementos de la estructura de la materia (por ejemplo, Moléculas, átomos, partículas elementales.) y más educación compleja de ellos. Este:
1) plasma - es un gas en el que una porción importante de las moléculas o átomos están ionizados;
2) cristales- Este sólidos, en el que los átomos o moléculas están dispuestos de manera ordenada y forman una estructura interna que se repite periódicamente;
3) liquidos- este es el estado agregado de una sustancia, que combina las características de un estado sólido (conservación de volumen, cierta resistencia a la tracción) y un estado gaseoso (variabilidad de forma).
El líquido se caracteriza por:
a) orden de corto alcance en la disposición de partículas (moléculas, átomos);
b) una pequeña diferencia en la energía cinética del movimiento térmico y su energía potencial de interacción.
4) estrellas,ᴛ.ᴇ. bolas de gas (plasma) incandescentes.
Al identificar ecuaciones estructurales de una sustancia, se utilizan los siguientes criterios:
Dimensiones espaciales: las partículas del mismo nivel tienen dimensiones espaciales del mismo orden (por ejemplo, todos los átomos tienen dimensiones del orden de 10 -8 cm);
Tiempo de proceso: en un nivel es aproximadamente del mismo orden de magnitud;
Los objetos del mismo nivel constan de los mismos elementos (por ejemplo, todos los núcleos están formados por protones y neutrones);
Las leyes que explican los procesos en un nivel son cualitativamente diferentes de las leyes que explican los procesos en otro nivel;
Los objetos en diferentes niveles difieren en sus propiedades básicas (por ejemplo, todos los átomos son eléctricamente neutros y todos los núcleos tienen carga eléctrica positiva).
A medida que se descubren nuevos niveles de estructura y estados de la materia, el dominio de objetos de la física estructural se expande.
Hay que tener en cuenta que a la hora de resolver problemas físicos específicos, las cuestiones relacionadas con el esclarecimiento de la estructura, la interacción y el movimiento están estrechamente entrelazadas.
En la raíz de la física estructural hay un enfoque corpuscular para describir y explicar la naturaleza.
Por primera vez, el concepto del átomo como última e indivisible partícula del cuerpo surgió en Grecia antigua en el marco de las enseñanzas filosóficas naturales de la escuela de Leucipo-Demócrito. Según esta visión, en el mundo sólo hay átomos que se mueven en el vacío. Los antiguos atomistas consideraban evidente la continuidad de la materia. Diferentes combinaciones de átomos forman diferentes cuerpos visibles. Esta hipótesis no se basó en datos experimentales. Ella fue simplemente una suposición brillante. Pero determinó todo durante muchos siglos más. mayor desarrollo ciencias naturales.
La hipótesis de los átomos como partículas indivisibles de la materia revivió en las ciencias naturales, en particular en la física y la química, para explicar algunas leyes establecidas experimentalmente (por ejemplo, las leyes de Boyle-Mariotte y Gay-Lussac para los gases ideales, expansión térmica teléfono, etc.). De hecho, la ley de Boyle-Marriott establece que el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión, pero no explica por qué es así. Asimismo, cuando un cuerpo se calienta, su tamaño aumenta. Pero ¿a qué se debe esta expansión? En la teoría cinética de la materia, estos y otros patrones establecidos experimentalmente se explican con la ayuda de átomos y moléculas.
De hecho, la disminución directamente observada y mensurable de la presión del gas con un aumento de su volumen en la teoría cinética de la materia se explica como un aumento en el camino libre de sus átomos y moléculas constituyentes. Es como resultado de esto que aumenta el volumen ocupado por el gas. De manera similar, la expansión de los cuerpos cuando se calientan en la teoría cinética de la materia se explica por un aumento velocidad promedio moléculas en movimiento.
Explicaciones en las que se intenta reducir las propiedades de sustancias o cuerpos complejos a las propiedades de sus elementos o elementos más simples. componentes, llamado reduccionismo. Este método de análisis hizo posible resolver una gran clase de problemas en las ciencias naturales.
Arriba a finales del XIX v. Se creía que un átomo es la partícula de materia más pequeña, indivisible y sin estructura. Al mismo tiempo, los descubrimientos del electrón y la radiactividad demostraron que esto no es así. Surge el modelo planetario del átomo de Rutherford. Luego es reemplazada por la modelo N. Bora. Pero como antes, el pensamiento de los físicos apunta a reducir toda la variedad de propiedades complejas de los cuerpos y fenómenos naturales a propiedades simples un pequeño número de partículas primarias. Posteriormente, estas partículas fueron llamadas elemental. Ahora su número total supera los 350. Por esta razón, es poco probable que todas estas partículas puedan considerarse verdaderamente elementales y no contengan otros elementos. Esta creencia se ve reforzada por la hipótesis de la existencia de quarks. Según él, las partículas elementales conocidas están formadas por partículas con cargas eléctricas fraccionarias. ellos son llamados quarks.
Según el tipo de interacción en la que participan las partículas elementales, todas ellas, excepto el fotón, se clasifican en dos grupos:
1) hadrones. Vale decir que se caracterizan por la presencia de una fuerte interacción. Además, también pueden participar en interacciones débiles y electromagnéticas;
2) leptones. Οʜᴎ participar sólo en interacciones electromagnéticas y débiles;
Según su esperanza de vida se distinguen:
a) partículas elementales estables. Estos son el electrón, el fotón, el protón y el neutrino;
b) casi estable. Se trata de partículas que se desintegran debido a interacciones electromagnéticas y débiles. Por ejemplo, a + ® m ++;
c) inestable. Οʜᴎ decaimiento debido a una fuerte interacción, por ejemplo, neutrón.
Las cargas eléctricas de las partículas elementales son múltiplos de la carga más pequeña inherente al electrón. Al mismo tiempo, las partículas elementales se dividen en pares partícula-antipartícula, por ejemplo e - - e + (todas tienen las mismas características y los signos de la carga eléctrica son opuestos). Las partículas eléctricamente neutras también tienen antipartículas, por ejemplo, pag -,- .
Entonces, el concepto atomista se basa en la idea de la estructura discreta de la materia. El enfoque atomista explica las propiedades de un objeto físico en función de las propiedades de sus componentes. partículas diminutas, que en una determinada etapa de cognición se consideran indivisibles. Históricamente, estas partículas fueron reconocidas primero como átomos, luego como partículas elementales y ahora como quarks. La dificultad de este enfoque es la reducción completa de lo complejo a lo simple, sin tener en cuenta las diferencias cualitativas entre ellos.
Hasta finales del primer cuarto del siglo XX, la idea de la unidad de la estructura del macro y microcosmos se entendía mecanicistamente, como la completa identidad de las leyes y como la completa similitud de la estructura de ambos.
Las micropartículas se interpretaron como copias en miniatura de macrocuerpos, ᴛ.ᴇ. como bolas extremadamente pequeñas (corpúsculos) que se mueven en órbitas precisas y completamente similares a las órbitas planetarias, con la única diferencia de que los cuerpos celestes están unidos por las fuerzas de la interacción gravitacional y las micropartículas, por las fuerzas de la interacción eléctrica.
Tras el descubrimiento del electrón (Thomson, 1897), la creación de la teoría cuántica (Planck, 1900) y la introducción del concepto de fotón (Einstein, 1905), la teoría atómica adquirió un nuevo carácter.
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La idea de discreción se extendió al campo de los fenómenos eléctricos y luminosos, al concepto de energía (en el siglo XIX, la doctrina de la energía sirvió como esfera de ideas sobre cantidades continuas y funciones de estado). La característica más importante de la enseñanza atómica moderna es el atomismo de la acción. Se debe al hecho de que el movimiento, las propiedades y los estados de varios microobjetos se pueden cuantificar, ᴛ.ᴇ. se expresan en forma de cantidades y proporciones discretas. El nuevo atomismo reconoce la estabilidad relativa de cada tipo discreto de materia, su certeza cualitativa, su relativa indivisibilidad e intransformabilidad dentro de los límites conocidos de los fenómenos naturales. Por ejemplo, ser divisible por algunos por medios fisicos, el átomo es indivisible químicamente, ᴛ.ᴇ. V procesos quimicos se comporta como algo completo, indivisible. Una molécula, al ser divisible químicamente en átomos, movimiento térmico(hasta ciertos límites) se comporta como un todo, indivisible, etc.
Particularmente importante en el concepto de nuevo atomismo es el reconocimiento de la interconvertibilidad de cualquier tipo discreto de materia.
Los diferentes niveles de organización estructural de la realidad física (quarks, micropartículas, núcleos, átomos, moléculas, macrocuerpos, megasistemas) tienen sus propias leyes físicas específicas. Pero no importa cuán diferentes sean los fenómenos que se estudian de los fenómenos estudiados por la física clásica, todos los datos experimentales deben describirse utilizando conceptos clásicos. Existe una diferencia fundamental entre la descripción del comportamiento del microobjeto en estudio y la descripción de la acción. instrumentos de medida. Este es el resultado del hecho de que la acción de los instrumentos de medición, en principio, debería describirse en el lenguaje de la física clásica, pero el objeto en estudio no puede describirse en este lenguaje.
El enfoque corpuscular para explicar fenómenos y procesos físicos siempre se ha combinado con el enfoque del continuo desde el surgimiento de la física de interacción. Se expresó en el concepto de campo y la divulgación de su papel en interacción física. La representación del campo como un flujo de un cierto tipo de partículas (teoría cuántica de campos) y la atribución de propiedades ondulatorias a cualquier objeto físico (hipótesis de Louis de Broglie) reunieron estos dos enfoques para el análisis de los fenómenos físicos.
Interacción débil: concepto y tipos. Clasificación y características de la categoría "Interacción débil" 2017, 2018.
En 1896, el científico francés Henri Becquerel descubrió la radiactividad en el uranio. Esta fue la primera señal experimental sobre fuerzas de la naturaleza previamente desconocidas: la interacción débil. Ahora sabemos que la fuerza débil está detrás de muchos fenómenos conocidos; por ejemplo, está involucrada en algunas reacciones termonucleares que sustentan la radiación del Sol y otras estrellas.
El nombre "débil" se le dio a esta interacción debido a un malentendido: por ejemplo, para un protón es 1033 veces más fuerte que la interacción gravitacional (ver Gravedad, esta unidad de la naturaleza). Se trata más bien de una interacción destructiva, la única fuerza de la naturaleza que no mantiene unida la sustancia, sino que sólo la destruye. También se podría llamarlo “sin principios”, ya que en la destrucción no tiene en cuenta los principios de paridad espacial y reversibilidad temporal, que son observados por otras fuerzas.
Las propiedades básicas de la interacción débil se conocieron ya en los años 30, principalmente gracias al trabajo del físico italiano E. Fermi. Resultó que, a diferencia de las fuerzas gravitacionales y eléctricas, las fuerzas débiles tienen un rango de acción muy corto. En esos años, parecía que no había ningún radio de acción: la interacción tenía lugar en un punto del espacio y, además, al instante. Esta interacción es virtual (en poco tiempo) convierte cada protón del núcleo en un neutrón, un positrón en un positrón y un neutrino, y cada neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino. En los núcleos estables (ver Núcleo atómico), estas transformaciones siguen siendo virtuales, como la creación virtual de pares electrón-positrón o pares protón-antiprotón en el vacío.
Si la diferencia en las masas de los núcleos que difieren en una carga es lo suficientemente grande, estas transformaciones virtuales se vuelven reales y el núcleo cambia su carga en 1, emitiendo un electrón y un antineutrino (desintegración electrónica) o un positrón y un neutrino ( desintegración de positrones). Los neutrones tienen una masa que excede en aproximadamente 1 MeV la suma de las masas de un protón y un electrón. Por tanto, un neutrón libre se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino, liberando una energía de aproximadamente 1 MeV. La vida útil de un neutrón libre es de aproximadamente 10 minutos, aunque en estado ligado, por ejemplo, en un deuterón, que consta de un neutrón y un protón, estas partículas viven indefinidamente.
Un evento similar ocurre con el muón (ver Peptones): se desintegra en un electrón, un neutrino y un antineutrino. Antes de desintegrarse, un muón vive aproximadamente c, mucho menos que un neutrón. La teoría de Fermi explica esto por la diferencia en las masas de las partículas involucradas. Cuanta más energía se libera durante la descomposición, más rápido avanza. La liberación de energía durante la desintegración es de unos 100 MeV, aproximadamente 100 veces mayor que durante la desintegración de un neutrón. La vida útil de una partícula es inversamente proporcional a la quinta potencia de esta energía.
Como se ha demostrado en las últimas décadas, la interacción débil es no local, es decir, no ocurre instantáneamente ni en un momento dado. Según la teoría moderna, la interacción débil no se transmite instantáneamente, sino que nace un par virtual electrón-antineutrino s después de que el muón se convierte en neutrino, y esto sucede a una distancia de cm. Ni una sola regla ni un solo microscopio pueden hacerlo. Por supuesto, medir una distancia tan pequeña, así como ningún cronómetro puede medir un intervalo de tiempo tan pequeño. Como casi siempre ocurre, en la física moderna debemos contentarnos con datos indirectos. Los físicos construyen diversas hipótesis sobre el mecanismo del proceso y prueban todo tipo de consecuencias de estas hipótesis. Aquellas hipótesis que contradicen al menos un experimento confiable se descartan y se llevan a cabo nuevos experimentos para probar los restantes. Este proceso, en el caso de la interacción débil, continuó durante unos 40 años, hasta que los físicos se convencieron de que la interacción débil era transportada por partículas supermasivas, 100 veces más pesadas que el protón. Estas partículas tienen espín 1 y se denominan bosones vectoriales (descubiertos en 1983 en el CERN, Suiza - Francia).
Hay dos bosones vectoriales cargados y uno neutro (el icono de arriba, como es habitual, indica la carga en unidades de protones). Un bosón vectorial cargado "funciona" en las desintegraciones del neutrón y del muón. El curso de la desintegración de los muones se muestra en la Fig. (arriba, derecha). Estos dibujos se denominan diagramas de Feynman; no sólo ilustran el proceso, sino que también ayudan a calcularlo. Ésta es una especie de abreviatura de la fórmula de la probabilidad de una reacción; se utiliza aquí sólo con fines ilustrativos.
El muón se convierte en un neutrino, emitiendo un bosón, que se desintegra en un electrón y un antineutrino. La energía liberada no es suficiente para el nacimiento real de un bosón, por lo que nace virtualmente, es decir, en muy poco tiempo. EN en este caso este es el s. Durante este tiempo, el campo correspondiente al bosón - no tiene tiempo de formar una onda, o en caso contrario, una partícula real (ver Campos y partículas). Se forma un coágulo de campo de tamaño cm, y después de c nacen un electrón y un antineutrino.
Para la desintegración de un neutrón se podría trazar el mismo diagrama, pero aquí ya nos induciría a error. El hecho es que el tamaño de un neutrón es cm, que es 1000 veces mayor que el radio de acción de las fuerzas débiles. Por tanto, estas fuerzas actúan en el interior del neutrón, donde se encuentran los quarks. Uno de los tres quarks de neutrones emite un bosón -, transformándose en otro quark. Las cargas de los quarks en un neutrón son: -1/3, - 1/3 y así uno de los dos quarks con carga negativa -1/3 se convierte en un quark con carga positiva. El resultado serán quarks con cargas: 1/3, 2/3, 2/3, que juntos forman un protón. Los productos de la reacción, electrones y antineutrinos, salen volando libremente del protón. Pero es un quark que emitió un bosón -. recibió el contragolpe y comenzó a moverse dirección opuesta. ¿Por qué no sale volando?
Se mantiene unido por una fuerte interacción. Esta interacción arrastrará al quark junto con sus dos compañeros inseparables, dando como resultado un protón en movimiento. Según un esquema similar, se producen desintegraciones débiles (asociadas con interacciones débiles) de los hadrones restantes. Todos se reducen a la emisión de un bosón vectorial por uno de los quarks, la transición de este bosón vectorial a leptones (, y -partículas) y una mayor expansión de los productos de reacción.
A veces, sin embargo, también se producen desintegraciones hadrónicas: un bosón vectorial puede descomponerse en un par quark-antiquark, que a su vez se convertirá en mesones.
Entonces, gran número de diversas reacciones se reduce a la interacción de quarks y leptones con bosones vectoriales. Esta interacción es universal, es decir, es la misma para quarks y leptones. La universalidad de la interacción débil, a diferencia de la universalidad de la interacción gravitacional o electromagnética, aún no ha recibido una explicación exhaustiva. En las teorías modernas, la interacción débil se combina con la interacción electromagnética (ver Unidad de las fuerzas de la naturaleza).
Sobre la ruptura de la simetría por la interacción débil, consulte Paridad, Neutrinos. El artículo La unidad de las fuerzas de la naturaleza habla sobre el lugar de las fuerzas débiles en la imagen del micromundo.
La fuerza débil, o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Es responsable, en particular, de la desintegración beta del núcleo. Esta interacción se denomina débil, ya que las otras dos interacciones importantes para la física nuclear (fuerte y electromagnética) se caracterizan por una intensidad mucho mayor. Sin embargo, es mucho más fuerte que la cuarta de las interacciones fundamentales, la gravitacional. Esta interacción es la más débil de las interacciones fundamentales observadas experimentalmente en las desintegraciones de partículas elementales, donde los efectos cuánticos son fundamentalmente significativos. Nunca se han observado manifestaciones cuánticas de interacción gravitacional. La interacción débil se distingue mediante la siguiente regla: si en el proceso de interacción participa una partícula elemental llamada neutrino (o antineutrino), entonces esta interacción es débil.
Un ejemplo típico de interacción débil es la desintegración beta de un neutrón.
donde n es un neutrón, p es un protón, e- es un electrón, e es un antineutrino electrónico.
Sin embargo, hay que tener en cuenta que la regla anterior no significa en absoluto que cualquier acto de interacción débil deba ir acompañado de un neutrino o antineutrino. Se sabe que se producen una gran cantidad de desintegraciones sin neutrinos. Como ejemplo, podemos observar el proceso de desintegración de un hiperón lambda en un protón p y un pión con carga negativa. Por ideas modernas El neutrón y el protón no son verdaderas partículas elementales, sino que están compuestos de partículas elementales llamadas quarks.
La intensidad de la interacción débil se caracteriza por la constante de acoplamiento de Fermi GF. La constante GF es dimensional. Para formar una cantidad adimensional, es necesario utilizar alguna masa de referencia, por ejemplo la masa del protón mp. Entonces la constante de acoplamiento adimensional será
Se puede observar que la interacción débil es mucho más intensa que la interacción gravitacional.
La interacción débil, a diferencia de la interacción gravitacional, es de corto alcance. Esto significa que la fuerza débil entre partículas sólo entra en juego si las partículas están lo suficientemente cerca unas de otras. Si la distancia entre partículas excede un cierto valor llamado radio característico de interacción, la interacción débil no se manifiesta. Se ha establecido experimentalmente que el radio característico de interacción débil es de unos 10-15 cm, es decir, la interacción débil se concentra a distancias menores que el tamaño del núcleo atómico. Aunque la interacción débil se concentra significativamente dentro del núcleo, tiene ciertas manifestaciones macroscópicas. Además, la interacción débil juega un papel importante en las llamadas reacciones termonucleares, responsables del mecanismo de liberación de energía en las estrellas. La propiedad más sorprendente de la interacción débil es la existencia de procesos en los que se manifiesta la asimetría especular. A primera vista, parece obvio que la diferencia entre los conceptos de izquierda y derecha es arbitraria. De hecho, los procesos de interacción gravitacional, electromagnética y fuerte son invariantes con respecto a la inversión espacial, que lleva a cabo la reflexión especular. Se dice que en tales procesos la paridad espacial P se conserva. Sin embargo, se ha establecido experimentalmente que los procesos débiles pueden proceder sin conservación de la paridad espacial y, por lo tanto, parecen sentir la diferencia entre izquierda y derecha. Actualmente, existe evidencia experimental sólida de que la no conservación de la paridad en interacciones débiles es de naturaleza universal y se manifiesta no sólo en la desintegración de partículas elementales, sino también en fenómenos nucleares e incluso atómicos; Debe reconocerse que la asimetría especular es una propiedad de la Naturaleza en el nivel más fundamental.
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