Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.3. Виды взаимодействия

Из фундаментальных сил в природе гравитационные силы (притяжения) были осознаны первыми, для них была создана математически понятна теория - теория Ньютона.

В теории тяготения Ньютона пространство и время не имеют тесной связи, который был установлен в теории относительности Эйнштейна.

В начале XX в. было открыто два новых фундаментальных типы связи: слабое взаимодействие, которое обуславливает β-распад, и сильное взаимодействие, что связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Эти типы связи не были открыты ранее, поскольку они действуют лишь на малых субатомных расстояниях, тогда как силы притяжения и электромагнитные силы далекодіючі, радиус действия их бесконечно большой.

Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы, которая является безразмерным параметром, определяющим вероятность процессов, обусловленных определенным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

В настоящее время известно четыре вида взаимодействия между частицами, а именно: гравитационное, сильное, электромагнитное и слабое.

Гравитационное взаимодействие является самым слабым из перечисленных и в процессах микромира существенного значения не имеет. Правда, современная теория предполагает, что этот вид взаимодействия возможно будет основным внутри элементарных частиц. Однако современная техника эксперимента не дает возможности проникнуть в глубины частиц и проверить выводы теории. В связи с этим ограничимся рассмотрением трех видов взаимодействия: сильного, электромагнитного и слабой.

Сильное взаимодействие характерна для тяжелых элементарных частиц (протонов, нейтронов и др.). Она предопределяет связь нуклонов в ядре. Именно через это сильное взаимодействие иногда называют ядерной. Особенностью ядерного взаимодействия являются малое значение радиуса действия ядерных сил, который составляет порядка 1 ферми (10^-15 м).

Короткодія ядерных сил делает их подобными молекулярных сил, что дало возможность И. Есть. Тамму 1933 г. выразить идею про обменный характер их. Дальнейшее развитие этой идеи принадлежит X. Юкаві, который 1935 г. разработал теорию обменных сил. По теории Юкавы, ядерные силы (сильные взаимодействия) обязаны своим происхождением некоторым специальным частицам - мезонам, которыми обмениваются нуклоны в ядре. Этим виртуальным мезонам свойственна определенная масса и очень короткое время жизни - 10^-23 с. За это время мезон, излученный нуклоном, пролетает расстояние около 10^-15 м, возвращается обратно и поглощается частицей, которая его породила. Если же поблизости есть другой нуклон, то он поглощает мезон и сразу излучает его снова. В результате такого обмена мезонами нуклоны взаимодействуют. Сильное взаимодействие происходит за ядерный время - время прохождения светом расстояния, равного атомного ядра - 10^-23 с и отмечается площадью сечения 10^-31 м². Интенсивность взаимодействия характеризуется безразмерной величиной - константой (g - стала мезон-нуклонної взаимодействия). Интенсивность сильного взаимодействия имеет наибольшее значение среди подобных констант: для π-мезонов и для К-мезонов. Сильном взаимодействии свойственна независимость от электрического заряда. В реакциях, происходящих за сильного взаимодействия, сохраняется максимальная количество квантовых чисел: баріонний и электрический заряды, изотопический спин, странность, четность.

Электромагнитное взаимодействие по своей интенсивностью в 10²...10³ раз слабее сильного взаимодействия и наблюдается между электрически заряженными частицами. Ней обусловленные кулоновские силы, процессы рождения электронно-позитронных пар γ-фотонами, распад π-мезона на два γ-фотоны и др. Электромагнитные взаимодействия характеризуются безразмерной константой (е - заряд электрона).

Электромагнитные взаимодействия удобные для экспериментального и теоретического исследования. Они выгодно отличаются от слабых взаимодействий тем, что только в сто раз слабее от сильных и, следовательно, имеют почти те же порядки значений для сечений взаимодействия - 10^-31...10^-34 м , что и в ядерных взаимодействиях. Большие интенсивности пучков электронов и фотонов в ускорителях дают возможность измерить эти сечения с большой точностью. Кроме того, электромагнитные взаимодействия отличаются от сильных взаимодействий тем, что они довольно слабые (константа взаимодействия намного меньше за единицу). При этом можно провести точные расчеты и построить достаточно совершенную теорию электромагнитных взаимодействий - квантовую электродинамику.

Природу электромагнитного взаимодействия можно описать, если предположить, что электроны обмениваются фотонами подобно того, как нуклоны обмениваются π-мезонами. Только обмен фотонами происходит не за 10^-23 с, а за 10^-20 с - характерное время электромагнитного взаимодействия. В отличие от сильной взаимодействия для электромагнитного взаимодействия нарушается закон сохранения изотопического спина.

Слабое взаимодействие в 10^-14 раз слабее сильного. Этот тип взаимодействия ответственный за все виды β-распада ядер, за спонтанный распад большинству элементарных частиц, процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабые взаимодействия характеризуются безразмерной константой где f - электронно-нейтринный заряд, что соответствует гипотетическому полю слабых взаимодействий. Отличают слабые процессы с участием лептонов, которые классифицируются с помощью лептонного заряда, и слабые процессы, что проходят с изменением странности и классифицируются с помощью этого понятия. При этом константа слабого взаимодействия одинакова не только для всех видов лептонних процессов, но и в первом приближении совпадает с константой взаимодействия для процессов, проходящих с изменением странности.

Слабое взаимодействие, как и сильное, есть короткодіючою. Характерное время для слабого взаимодействия составляет 10^-10 с.

Ученые считают, что слабое взаимодействие имеет также обменный характер и переносится специфическим векторным мезонним полем. Ему соответствуют три сорта заряженных и нейтральных промежуточных векторных бозонов: W⁺, W^- и Z°. Для слабого взаимодействия нарушаются законы сохранения изотопического спина, странности, четности (см. подраздел 18.10).

Электромагнитные и гравитационные взаимодействия спадают обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами, а поэтому о какой-то определенный радиус действия для них не говорится. Одновременно экспериментальный характер зависимости ядерных сил от расстояния позволяет определить радиус их действия - порядка 10^-15 м. Ядерные силы в сотни раз интенсивнее от электромагнитных, однако из-за малого радиуса действия были обнаружены совсем недавно, когда физический эксперимент дал возможность проникнуть в внутрь атомного ядра. В табл. 18.1 приведены основные характеристики всех взаимодействий (q - электрический заряд, В - баріонний заряд, S - странность, J - изотопический спин).

Таблица 18.1