La כוח גרעיני חלש זהו אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים של הפיזיקה שדרכם חלקיקים מקיימים אינטראקציה זה עם זה, יחד עם כוח חזק, כוח משיכה ואלקטרומגנטיות, לכוח הגרעיני החלש הזה יש עוצמה חלשה הרבה יותר. למד עוד על הנושא המעניין הזה כאן!
הכוח הגרעיני החלש
הכוח החלש הוא אחד מהארבעה כוחות היסוד של הטבע השולטים בכל החומר ביקום, שלושת האחרים הם כוח המשיכה, אלקטרומגנטיות והכוח החזק, בעוד ששאר הכוחות מחזיקים דברים יחד, הכוח החלש ממלא תפקיד גדול יותר בדברים שמתפרקים או מתפרקים.
הכוח החלש, או האינטראקציה החלשה, הוא הרבה יותר חזק מכוח הכבידה, אך הוא בטוח רק למרחקים קצרים מאוד, פועל ברמה התת-אטומית, וממלא תפקיד מכריע בטיפוח כוכבים ויצירת אלמנטים, כמו גם אחראי על חלק גדול מהגוף. קרינה טבעית הקיימת ביקום.
הפיזיקאי האיטלקי אנריקו פרמי חשב בשנת 1933 על השערה לביטוי של ריקבון בטא, שהוא התהליך שבו נויטרון בגרעין הופך לפרוטון ופולט אלקטרון, הנקרא לעתים קרובות חלקיק בטא בהקשר זה.
הוא הגדיר סוג חדש של כוח, מה שנקרא אינטראקציה חלשה, שהייתה אחראית לדעיכה ושהתהליך הבסיסי שלה היה הפיכת נויטרון לפרוטון, אלקטרון וניטרינו, אשר מאוחר יותר נקבע כאנטי-נייטרינו. , כתב ג'וליו מלטזה. , היסטוריון איטלקי לפיזיקה, בחלקיקים של האדם.
לפי מלטזית, פרמי קבע בתחילה שזה מרמז על מה שדומה למרחק אפס או כוח שבו שני החלקיקים יצטרכו להיות במגע כדי שהכוח ימשיך, מאז אושר כי הכוח החלש הוא כוח משיכה שפועל בטווח קצר למדי של לפחות 0.1 אחוז מקוטר פרוטון.
נכסים
La כוח גרעיני חלש יש לו סדרה של תכונות שאנו מזכירים להלן, הכוח החלש שונה משאר הכוחות:
- זהו הכוח היחיד שמפר את סימטריית הזוגיות (P).
- זהו הכוח היחיד שמפר את סימטריית המטען (CP).
- זוהי האינטראקציה היחידה שיכולה לשנות סוג אחד של קווארק לאחר או את הטעם שלו.
- הכוח החלש מופץ על ידי חלקיקי נשא בעלי מסות משמעותיות (כ-90 GeV/c).
המספר הקוונטי המפתח לחלקיקים שבירים באינטראקציה הוא תכונה פיזיקלית המכונה איזוספין חלש, הדומה לתפקיד שממלאת הצנטריפוגה החשמלית בכוח האלקטרומגנטי ובמטען הצבע בכוח החזק.
זו כמות שנשמרת, מסיבה זו שלכל אינטראקציה חלשה יהיה סכום של האיזוספין הכולל בסוף האינטראקציה כמו גם בתחילת האינטראקציה.
לחלקיקים הבאים יש איזוספין חלש של + 1 ⁄ 2:
- נייטרינו אלקטרוני
- ניוטרינו מואון
- ניטרינו טאו
- קום
- קסם קווארק
- קווארק עליון
לחלקיקים הבאים יש איזוספין חלש של - 1 ⁄ 2:
- אלקטרונים
- Muon
- טאו
- קווארק למטה
- קווארק מוזר
- רקע קווארק
הבוזונים Z ו-W הם הרבה יותר מאסיביים מבוזוני המטר האחרים שמתווכים את הכוחות האחרים, החלקיקים הם כל כך מאסיביים שהם מתפוררים מהר מאוד ברוב המקרים.
הכוח החלש נקשר יחד עם הכוח האלקטרומגנטי ככוח בסיסי יחיד של אלקטרודפרסיה, המוכרז באנרגיה גבוהה, למשל, אלו שנמצאו בתוך מאיצי חלקיקים.
עבודה מאחדת זו זכתה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1979, ועבודה שלאחר מכן להראות שהיסודות המתמטיים של הכוח האלקטרוני ניתנים לנורמליזציה מחדש זכתה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1999.
סוגי אינטראקציות
ישנם שני סוגים של אינטראקציה חלשה שנקראת קודקודים, הסוג הראשון נקרא "אינטראקציה זרם טעון" מכיוון שהיא מתווכת על ידי חלקיקים הנושאים מטען חשמלי, היא אחראית לתופעת התפרקות בטא.
הסוג השני נקרא "אינטראקציה זרם נייטרלי" מכיוון שהוא מתווך על ידי חלקיק נייטרלי, הוא אחראי להסטה של ניטרינו, שני סוגי האינטראקציה פועלים לפי כללי בחירה שונים.
אינטראקציה נוכחית טעינה
באינטראקציה מסוג זרם טעון, לפטון טעון (כגון אלקטרון או מיאון, שיש לו מטען של -1) יכול לספוג בוזון W+, כלומר חלקיק עם מטען של +1 ומאותו מצב להפוך למצב מתאים. ניטרינו עם מטען 0 כאשר סוג הניטרינו, כלומר אלקטרון, מיאון או טאו זהה לסוג הלפטון באינטראקציה.
באופן דומה, סוג של קווארק פוך עם מטען של - 1 / 3 ניתן להמיר לקווארק מסוג up, עם מטען של + 2 / 3 ), על ידי הנפקת W- בוזון או קליטת W+ בוזון ליתר דיוק, הקווארק מסוג down הופך לסופרפוזיציה קוונטית של קווארקים מסוג up: כלומר, יש לו סיכוי להפוך לאחד משלושת הקווארקים מסוג up, עם ההסתברויות שניתנו בטבלאות המטריצה.
לעומת זאת, קווארק במעלה הזרם יכול לפלוט W+
בוזון, או לספוג W- בוזון, וכך הופך לקווארק מסוג דאון.
בוזון W אינו יציב, ולכן הוא יתפרק במהירות, עם זמן חיים קצר מאוד, התפרקות של בוזון W למוצרים אחרים יכולה לקרות, בהסתברויות שונות.
במה שנקרא בטא דעיכה של נויטרון, קווארק למטה בתוך הנייטרון מבטא W מרומז- בוזון ולכן הופך לקווארק למעלה, והופך את הנייטרון לפרוטון.
בגלל האנרגיה הכרוכה בתהליך, כלומר, ההבדל במסה בין הקווארק של ה-down ל-up quark, ה-W- הבוזון יכול להפוך רק לאלקטרון ולאלקטרון אנטי-נייטרינו.
אינטראקציה נוכחית ניטראלית
באינטראקציות זרם ניטרלי, קווארק או לפטון (לדוגמה, אלקטרון או מיאון) פולטים או סופגים בוזון Z ניטרלי, כמו W± בוזונים, הבוזון גם מתפרק במהירות.
בניגוד לאינטראקציית הזרם הטעון, שכללי הבחירה שלה מוגבלים בהחלט על ידי כיראליות, מטען חשמלי או איזוספין חלש, הזרם הנייטרלי Z0 האינטראקציה עלולה לגרום לסטייה של שני פרמיונים במודל הסטנדרטי: חלקיקים ואנטי-חלקיקים מכל מטען חשמלי, וכיראליות שמאל וימין, אם כי עוצמת האינטראקציה שונה.
הפרת סימטריה
שבירת סימטריה היא תופעה שבה תהפוכות קטנות העוברות על מערכת העוברת דרך נקודה קריטית מסכמת את גורלה של המערכת בכך שהיא קובעת אילו סניפים נלקחים, עבור עוזר חיצוני, לא מודע לתהפוכות, הבחירה תתעורר באופן לא הוגן.
תהליך זה נקרא הפרת סימטריה, מכיוון שמעברים כאלה בדרך כלל מעבירים את המערכת ממצב סימטרי אך לא מסודר בתנאי אחד או יותר, הפרעות בסימטריה נחשבות למלאות תפקיד חשוב בדפוסים.
בשבירת סימטריה ישירה, המשוואות הנוכחיות של המערכת הן נייחות, אך המערכת אינה נובעת מכך שהבסיס של המערכת אינו בלתי משתנה, שבירת סימטריה כזו עוברת פרמטרים באמצעות פרמטר הסדר, מקרה מיוחד של סוג זה של פירוק סימטריה הוא שבירת סימטריה דינמית.
כשל בסימטריה יכול לכסות כל אחד מהתרחישים הבאים:
- הפרה של הסימטריה המדויקת העומדת בבסיס חוקי הפיזיקה באמצעות היווצרות אקראית של מבנה כלשהו.
- מצב בפיזיקה שבו למצב האנרגיה המינימלי יש פחות סימטריה מהמערכת עצמה.
- מצבים בהם המצב האמיתי של המערכת אינו משקף את הסימטריות הבסיסיות של הדינמיקה, שכן המצב הסימטרי בבירור אינו יציב ויציבות מושגת עקב אסימטריה מקומית.
- מצבים שבהם למשוואה של תיאוריה יכולות להיות סימטריות מסוימות, אך אין לפתרונות שלה, כי הסימטריות "נסתרות".
אחד המקרים הראשונים של סימטריה שבורה שנדונו בספרות הפיזיקלית נוגע לצורה שלוקח גוף מסתובב אחיד של נוזל בלתי דחוס בשיווי משקל כבידה והידרוסטטי.
גם ג'קובי וגם ליוביל הסכימו ב-1834 שאליפסואיד תלת צירים הוא פתרון שיווי משקל לבעיה זו, כאשר האנרגיה הקינטית בהשוואה לאנרגיית הכבידה של גוף מסתובב עלתה על ערך קריטי מסוים.
הסימטריה הצירית המיוצגת על ידי הכדוריות נשברת בנקודת הסתעפות זו, יתרה מכך, מעל נקודת הסתעפות זו ולתנע זוויתי קבוע, הפתרונות הממזערים את האנרגיה הקינטית הם אליפסואידים יעקבי לא סימטריים צירים במקום כדוריות של מקלאורין.
גרעיני אטום, למשל, מורכבים מפרוטונים ונויטרונים, ואנחנו גם יודעים שכל החלקיקים התת-אטומיים אינם עצמים בלתי ניתנים לשינוי, אלא מצליחים לשנות זה את זה, בעיקר כתוצאה מאינטראקציות גרעיניות חלשות.
לדוגמה, הנייטרון, שיש לו אפס מטען חשמלי, יכול להתפרק לפרוטון ואלקטרון של מטענים שווים ומנוגדים, בתוספת חלקיק חדש בעל מטען אפס, אנטי-נייטרינו, ובדומה לכך, האנטי-נייטרון יכול להתפרק לאנטי-פרוטון, פוזיטרון. וניטרינו.
תיאוריה או מודל של Electroweak
הכוח החלש פועל רק על פני מרחקים קטנים מגרעין האטום, בעוד שהכוח האלקטרומגנטי יכול להשתרע על פני מרחקים גדולים, כפי שנראה לאור כוכבים שמגיעות לגלקסיות שלמות, דוהות רק עם ריבוע המרחק.
יתר על כן, השוואה של עוצמת האינטראקציות הבסיסיות בין שני פרוטונים, למשל, מגלה שהכוח החלש חלש בערך פי 10 מיליון מהכוח האלקטרומגנטי, אולם אחת התגליות המרכזיות של המאה ה-XNUMX הייתה ששני הכוחות הללו הם היבטים שונים של כוח דליפה חשמלי אחד, בסיסי יותר.
תיאוריית האלקטרו-חלש נוצרה בעיקר מניסיונות לייצר תיאוריית מד עקבית עצמית של הכוח החלש, באנלוגיה לאלקטרודינמיקה קוונטית, התיאוריה המודרנית המוצלחת של הכוח האלקטרומגנטי שפותחה במהלך שנות ה-1940.
ישנן שתי דרישות בסיסיות לתיאוריית המדיד של הכוח החלש, ראשית, עליה להפגין סימטריה מתמטית בסיסית, הנקראת אינווראנס מדידה, כך שהשפעות הכוח זהות בנקודות שונות במרחב ובזמן. שנית, התיאוריה צריכה להיות ניתנת לנורמליזציה מחדש, כלומר, היא לא צריכה להכיל כמויות אינסופיות לא פיזיות.
דוגמאות יומיומיות לשינויים גרעיניים
הדוגמה המובהקת ביותר לכוח הגרעיני החלש היא קשירת פרוטונים, שהם דוחים בטבעם בשל המטען החיובי שלהם. בקנה מידה גדול יותר, כוח זה אחראי לכוח ההרס העצום של נשק גרעיני, שחרור אנרגיה בעת פיצוץ נשק גרעיני נובע מכוחות גרעיניים חזקים.
חשוב לציין שבאותו אופן הם משמשים בצמחי אנרגיה גרעינית ליצירת חום, זאת על מנת ליצור אנרגיה, כגון חשמל, א. כוח גרעיני חלש הוא מצליח להמיר נויטרון לפרוטון ופרוטון לנויטרון, כוחות אלו מקורם בהתנגדויות רבות, כמו ריקבון רדיואקטיבי, שריפת שמש, תיארוך פחמן וכו'.
- תגובת ביקוע בתחנת כוח גרעינית מספקת מספיק אנרגיה להנעת ערים גדולות.
- תגובת ההיתוך בשמש מספקת לכוכב הלכת שלנו את כל האנרגיה הדרושה כדי שיצורים חיים ישרדו.
- תגובת ביקוע בורחת מספקת את כוח ההרס של פצצה גרעינית.