Слабое взаимодействие

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)"

(СПбГЭТУ)

Факультет экономики и менеджмента

Кафедра физики

РЕФЕРАТ

По дисциплине "Концепции современного естествознания"

на тему "Слабое взаимодействие"

Проверил:

Альтмарк Александр Моисеевич

Выполнила:

студентка гр. 3603

Колисецкая Мария Владимировна

Санкт-Петербург

2014г

Оглавление

1. Слабое взаимодействие - одно из четырех фундаментальных взаимодействий

2. Свойства слабого взаимодействия

3. История изучения

4. Роль в природе

Список используемой литературы

1. Слабое взаимодействие - одно из четырех фундаментальных взаимодействий

Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие, -- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Силы слабого взаимодействия не хватает, чтобы удерживать частицы друг около друга (т.е. образовывать связанные состояния). Оно может проявляться только при распадах и взаимных превращениях частиц.

Слабое взаимодействие является короткодействующим -- оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 2·10?18 м).

Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны , и . При этом различают взаимодействие так называемых заряженных слабых токов и нейтральных слабых токов. Взаимодействие заряженных токов (при участии заряженных бозонов ) приводит к изменению зарядов частиц и превращению одних лептонов и кварков в другие лептоны и кварки. Взаимодействие нейтральных токов (при участии нейтрального бозона ) не меняет заряды частиц и переводит лептоны и кварки в те же самые частицы.

Впервые слабые взаимодействия наблюдались при в-распаде атомных ядер. И, как оказалось, эти распады связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:

р > n + е+ + нe, n > р + е- + e,

где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, н?e - электронное антинейтрино.

Элементарные частицы принято делить на три группы:

1) фотоны; эта группа состоит всего лишь из одной частицы -- фотона -- кванта электромагнитного излучения;

2) лептоны (от греч. «лептос» -- легкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К лептонам относятся электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон и открытый в 1975 г. тяжелый лептон -- -лептон, или таон, с массой примерно 3487me, а также соответствующие им античастицы. Название лептонов связано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех других частиц. К лептонам относится также таонное нейтрино, существование которого в последнее время также установлено;

3) адроны (от греч. «адрос» -- крупный, сильный). Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым. Из рассмотренных выше частиц к ним относятся протон, нейтрон, пионы и каоны.

2. Свойства слабого взаимодействия

Слабое взаимодействие обладает отличительными свойствами:

1. В слабом взаимодействии принимают участие все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Фермионы (от фамилии итальянского физика Э. Ферми) - элементарные частицы, атомные ядра, атомы, обладающие полуцелым значением собственного момента импульса. Примеры фермионов: кварки (они образуют протоны и нейтроны, которые также являются фермионами), лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами -- то есть превращаться друг в друга.

2. Слабое взаимодействие получило своё название из-за того, что его характерная интенсивность значительно ниже, чем у электромагнетизма. В физике элементарных частиц интенсивность взаимодействия принято характеризовать скоростью протекания процессов, вызванных этим взаимодействием. Чем быстрее протекают процессы, тем выше интенсивность взаимодействия. При энергиях взаимодействующих частиц порядка 1 ГэВ характерная скорость протекания процессов, обусловленных слабым взаимодействием, составляет около 10?10 с, что примерно на 11 порядков больше, чем для электромагнитных процессов, то есть слабые процессы -- это чрезвычайно медленные процессы.

3. Другой характеристикой интенсивности взаимодействия является длина свободного пробега частиц в веществе. Так, для того, чтобы остановить за счёт сильного взаимодействия летящий адрон, требуется плита из железа толщиной в несколько сантиметров. В то же время нейтрино, которое участвует только в слабом взаимодействии, может пролететь через плиту толщиной в миллиарды километров.

4. Слабое взаимодействие обладает очень малым радиусом действия -- около 2·10-18 м (это приблизительно в 1000 раз меньше размера ядра). Именно по этой причине, несмотря на то, что слабое взаимодействие значительно интенсивнее гравитационного, радиус действия которого не ограничен, оно играет заметно меньшую роль. Например, даже для ядер, находящихся на расстоянии 10?10 м, слабое взаимодействие слабее не только электромагнитного, но и гравитационного.

5. Интенсивность слабых процессов сильно зависит от энергии взаимодействующих частиц. Чем выше энергия, тем интенсивность выше. Например, в силe слабого взаимодействия нейтрон, энергия покоя которого равна приблизительно 1 ГэВ, распадается за время около 103 с, а Л- гиперон, масса которого в сто раз больше, -- уже за 10?10 с. То же самое справедливо для энергичных нейтрино: сечение взаимодействия с нуклоном нейтрино с энергией 100 ГэВ на шесть порядков больше, чем у нейтрино с энергией около 1 МэВ. Однако при энергиях порядка нескольких сотен ГэВ (в системе центра масс сталкивающихся частиц) интенсивность слабого взаимодействия становится сравнимой с энергией электромагнитного взаимодействия, в результате чего они могут быть описаны единым образом как электрослабое взаимодействие. В физике элементарных частиц электрослабое взаимодействие является общим описанием двух из четырёх фундаментальных взаимодействий: слабого взаимодействия и электромагнитного взаимодействия. Хотя эти два взаимодействия очень различаются на обычных низких энергиях, в теории они представляются как два разных проявления одного взаимодействия. При энергиях выше энергии объединения (порядка 100 ГэВ) они соединяются в единое электрослабое взаимодействие. Электрослабое взаимодействие - взаимодействие, в котором участвуют кварки и лептоны, излучая и поглощая фотоны или тяжёлые промежуточные векторные бозоны W+, W-, Z0. Э. в. описывается калибровочной теорией со спонтанно нарушенной симметрией.

6. Слабое взаимодействие является единственным из фундаментальных взаимодействий, для которого не выполняется закон сохранения чётности, это означает, что законы, которым подчинятся слабые процессы, меняются при зеркальном отражении системы. Нарушение закона сохранения чётности приводит к тому, что слабому взаимодействию подвержены только левые частицы (спин которых направлен противоположно импульсу), но не правые (спин которых сонаправлен с импульсом), и наоборот: правые античастицы взаимодействуют слабым образом, но левые -- инертны.

Операция пространственной инверсии P заключается в преобразовании

x, y, z, , -x, -y, -z, -, .

Операция P изменяет знак любого полярного вектора

-,
-.

Операция пространственной инверсии переводит систему в зеркально симметричную. Зеркальная симметрия наблюдается в процессах под действием сильного и электромагнитного взаимодействий. Зеркальная симметрия в этих процессах означает, что в зеркально симметричных состояниях переходы реализуются с одинаковой вероятностью.

1957 г. ? Янг Чжэньнин, Ли Цзундао получил нобелевскую премию по физике. За глубокие исследования так называемых законов четности, которые привели к важным открытиям в области элементарных частиц.

7. Помимо пространственной чётности, слабое взаимодействие не сохраняет также и комбинированной пространственно-зарядовой чётности, то есть единственное из известных взаимодействий нарушает принцип CP-инвариантности.

Зарядовая симметрия означает, что если существует какой-либо процесс с участием частиц, то при замене их на античастицы (зарядовом сопряжении), процесс также существует и происходит с той же вероятностью. Зарядовая симметрия отсутствует в процессах с участием нейтрино и антинейтрино. В природе существуют только левоспиральные нейтрино и правоспиральные антинейтрино. Если каждую из этих частиц (для определённости будем рассматривать электронное нейтрино нe и антинейтрино e) подвергнуть операции зарядового сопряжения, то они перейдут в несуществующие объекты с лептонными числами и спиральностями.

Таким образом, в слабых взаимодействиях нарушаются одновременно P- и C-инвариантность. Однако, если над нейтрино (антинейтрино) совершить две последовательные операции ? P- и C_преобразования (порядок операций не важен), то вновь получим нейтрино, существующие в природе. Последовательность операций и (или в обратном порядке) носит название CP-преобразования. Результат CP_преобра-зования (комбинированной инверсии) нe и e следующий:

Таким образом, для нейтрино и антинейтрино операция, переводящая частицу в античастицу, это не операция зарядового сопряжения, а CP-преобразование.

3. История изучения

Изучение слабых взаимодействий продолжалось длительный период.
В 1896 году Беккерель обнаружил, что соли урана испускают проникающее излучение (в-распад тория). Это стало началом исследования слабого взаимодействия.
В 1930 году Паули выдвинул гипотезу о том, что при в-распаде наряду с электронами (е) испускаются легкие нейтральные частицы ? нейтрино (н).

В том же году Ферми предложил квантово-полевую теорию в-распада. Распад нейтрона (n) есть следствие взаимодействия двух токов: адронныи ток переводит нейтрон в протон (р), лептонный - рождает пару электрон + нейтрино.

В 1956 году Райнес впервые наблюдал реакцию ер> nе+ в опытах вблизи ядерного реактора.

Ли и Янг объяснили парадокс в распадах K+-мезонов (ф ~ и загадка) ? распад на 2 и 3 пиона. Он связан с несохранением пространственной четности. Зеркальная асимметрия обнаружена в в-распаде ядер, распадах мюонов, пионов, K-мезонов и гиперонов.
В 1957 году Гелл-Манн, Фейнман, Маршак, Сударшан предложили универсальную теорию слабого взаимодействия, основанную на кварковой структуре адронов. Эта теория, получившая название V-A теории, привела к описанию слабого взаимодействия с помощью диаграмм Фейнмана.

Тогда же были открыты принципиально новые явления: нарушение СР-инвариантности и нейтральные токи.

В 1960-х годах Шелдоном Ли Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом на основе хорошо разработанной к тому времени квантовой теории поля была создана теория электрослабых взаимодействий, объединяющая в себе слабое и эектромагнитное взаимодействия. Ими были введены калибровочные поля и кванты этих полей -- векторные бозоны , и в роли переносчиков слабого взаимодествия. Кроме того, было предсказано существование неизвестных ранее слабыхнейтральных токов. Эти токи были обнаружены экспериментально в 1973 году при изучении процессов упругого рассеяния нейтрино и антинейтрино нуклонами.

В 1991-2001 годах на ускорителе LEP2 (ЦЕРН) проводилось изучение распадов Z0-бозонов, которое показало, что в природе существует только три поколения лептонов: нe, нм и нф.

4. Роль в природе

ядерное взаимодействие слабое

Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием, -- b-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено в 1896 А. А. Беккерелем. В течение первой трети 20 в. экспериментально исследовались энергетические спектры b-радиоактивных ядер (Э. Резерфорд, Дж.Чедвик, Л. Майтнер). Результатом этого исследования явилась гипотеза (1931, В. Паули) о том, что в b-распаде наряду с электроном (е-) испускается ещё одна лёгкая частица, получившая позднее название нейтрино. И хотя экспериментально свободное нейтрино было обнаружено лишь в 1956, уже в 1934, исходя из гипотезы Паули, Э. Ферми построил теорию b-распада, которая (с некоторыми модификациями) лежит в основе современной теории слабого взаимодействия.

Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (более точно: антинейтрино), вылетающие из b-радиоактивного ядра, не находились в нём до этого, а возникают в момент распада.

Помимо ядерных реакций синтеза, слабое взаимодействие может приводить и к распаду массивных частиц на более лёгкие. Такой вид распада носит название слабого распада. В частности, именно по причине такого распада концентрации таких частиц, как мюонов, р-мезонов, странных и очарованных частиц, в природе ничтожны. Дело в том, что в отличие от других видов фундаментальных взаимодействий, слабое взаимодействие не подчиняется некоторым запретам, позволяя заряженным лептонам превращаться в нейтрино, а кваркам одного аромата в кварки другого аромата.

Важным частным случаем слабого распада является бета-распад нейтрона, в результате которого нейтрон может спонтанно превратиться в протон, электрон и электронное антинейтрино. Однако, как известно, интенсивность слабых распадов падает с уменьшением энергии, поэтому характерный период полураспада нейтрона достаточно велик -- около 103 с, в то время как у Л-гиперона, выделение энергии при распаде которого в 100 раз выше, время жизни всего лишь около 10?10 с.

Несмотря на малый радиус действия и относительную малость, слабое взаимодействие имеет важное значение для целого ряда природных процессов. В частности, именно слабым взаимодействием обусловлено протекание термоядерной реакции, являющейся основным источником энергии большинства звёзд, включая Солнце, -- реакции синтеза гелия-4 из четырёх протонов с испусканием двух позитронов и двух нейтрино. Важную роль в эволюции звёзд играют и другие процессы, сопровождающиеся испусканием нейтрино и обусловленные наличием слабого взаимодействия. Такие процессы определяют энергетические потери в очень горячих звёздах, а также во взрывах сверхновых, сопровождающихся образованием пульсаров. Пульсамр -- космический источник радио- (радиопульсар), оптического (оптический пульсар), рентгеновского (рентгеновский пульсар) и/или гамма- (гамма-пульсар) излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов).

Если бы удалось "выключить" С. в., то погасло бы Солнце, т. к. был бы невозможен процесс превращения протона (р) в нейтрон (n), позитрон (е+) и нейтрино (n). Именно в результате этого процесса происходит "выгорание" водорода на Солнце и четыре протона превращаются в ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Этот процесс служит источником энергии как Солнца, так и большинства звёзд.

Благодаря слабому взаимодействию возможно определить возраст материи с помощью метода радиоуглеродного анализа. Возраст археологических находок можно определить, измерив содержание радиоактивного изотопа углерода по отношению к стабильным изотопам углерода в органическом материале этой находки. Для этого сжигают предварительно очищенный небольшой фрагмент вещи, возраст которой нужно определить, и, таким образом, добывают углерод, который потом анализируют.

Список используемой литературы

1. Новожилов Ю.В. Введение в теорию элементарных частиц. М.: Наука, 1972

2. Окунь Б. Слабое взаимодействие элементарных частиц. М.: Физматгиз, 1963

Размещено на Allbest.ru