Электромагнитное взаимодействие

II. Микромир

Взаимодействие элементарных частиц

Кванты

Кванты – частицы, отвечающие любому квантовому полю. Они рождаются, перемещаются и взаимодействуют как возмущения квантового поля, обладают массой , энергией , импульсом и взаимодейству­ют с веществом как целое. Энергия и им­пульс кванта связаны соотношением СТО: . Энергия и импульс квантового поля – сумма энергий и импульсов всех его квантов.

 

Взаимодействие и его концепции

Взаимодействие в физике – воздействие тел, частиц или полей друг на друга, приводящее к изменению их состояния. Исторически выделяются три концепции взаимодействия: теория дальнодействия; теория близкодействия; квантовая теория поля.

 

Теория дальнодействия

Теория дальнодействия: взаимодействие осуществляется мгновенно и непосредственно через пустое пространство, не принимающее участия в передаче взаимодействия.

 

Теория близкодействия

Теория близкодействия: взаимодействие осуществляют поля, распространяющиеся в разделяю­щем тела пространстве с конечной скоростью.

 

9.8. Квантовая теория поля (КТП)

КТП: материя описывается квантовыми полями, взаимодействие квантовых полей – это непрерывные превращения частиц: исчезновение одних частиц и появление других в новых состояниях. Взаимодействия между частицами возникают в результате обмена квантами соответствующих полей. Пример. Испускание фотона при переходе атома из одного состояния в другое описывается как взаимодействие электронного и фотонного квантовых полей, приводящее к исчезновению электрона в начальном состоянии и совместному рождению нового элек­трона и фото­на в конечном состоянии.

 

Фундаментальные взаимодействия

Сравнивая скорости процессов, порождаемых взаимодействиями элементарных частиц, можно разделить все взаимодействия в зависимости от интенсивности. Несмотря на разнообразие воздействий тел друг на друга в природе, по современным данным, имеется четыре вида фундаментальных взаимодействий элементар­ных частиц: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное (в порядке возрастания интенсивности).

 

Сильное взаимодействие, кварки, глюоны, адроны

Сильное ядерное взаимодействие вызывает процессы с ЭЧ, протекающие с наибольшей интенсивностью. Оно обеспечивает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов, исключительную прочность атомных ядер, лежащую в основе стабиль­ности вещества в земных условиях, и другие свойства ядер.

Кварки – элементарные частицы со спином ½ и с дробным электрическим зарядом 1/3 e или 2/3 e. Размер – <10^-19 м. Известно 6 типов (ароматов) кварков. Каждый аромат имеет три разновидно­сти, отличающиеся цветом – сильным зарядом. Сильное взаимодействие кварков зависит от цвета и осуществляется посредством восьми безмассовых частиц – глюонов.

Адроны – ЭЧ, состоящие из кварков, связанных глюонами. Типы адронов: 1) барионы (например, протон и нейтрон) состоят из трех кварков; 2) мезоны состоят из кварка и антикварка. Все реально наблюдаемые адроны «бесцветны» (их цветовой заряд равен нулю). В свободном состоянии все адроны (воз­можно, кроме протона) нестабильны. Сильное взаимодействие адронов – остаточный эффект взаимодействия кварков, так же как межмолекулярные силы – остаточный эффект электрического взаимодействия электронов и ядер молекул.

 

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие на основе электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодейст­вие между заряженными ЭЧ осуществляется путем обмена (излучения и поглощения) фотонами. Оно обеспечивает связь электронов с ядрами и связь атомов в мо­лекулах. Пример. Свободный электрон испуска­ет фотон, а позитрон поглощает этот фотон. Теория всех эффектов в квантовой электродинамике находится в полном количественном согласии с экспериментом.

 

Лептоны

Лептоны – ЭЧ, не участ­вующие в сильном взаимодействии. Все лептоны имеют спин ½, то есть являются фермионами. К ним относятся: элект­рон (е^-) и электронное нейтрино (ν_е), мюон (μ^-) и мюонное нейтрино (ν_μ), тау-лептон (τ^-) и тау-нейтрино (ν_τ), а также их античастицы. Не ясно, существуют ли другие элементарные частицы спина ½, относя­щиеся к лептонам. Нейтрино электрически нейтральны.

 

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие слабо влияет на поведение элементарных частиц или вызывает очень мед­ленно протекающие процессы изменения их состояния. Оно обладает очень малым радиусом действия: около 2·10^-19 м. Слабым взаимодействием обусловлены: 1) эволюция звезд; 2) прев­ращение электрически заряженных лептонов в нейтрино; 3) взаимные превращения кварков разных ароматов; 4) сравнительно медленные распады элементарных частиц. Наиболее распространенный процесс, обусловленный слабым взаимодействием, – бета-распад радиоактивных атомных ядер. При бета-распаде одного из нейтронов ядра образуются протон, электрон и электронное антинейтрино. Пример. Так как слабое взаимодействие менее интенсивно, чем сильное и электромагнитное, адроны можно задержать желез­ной плитой толщиной в несколько десятков см, а нейтрино, участвующее лишь в слабом взаимодействии, должно проходить через железную плиту толщиной порядка миллиарда км, не испытав столкновений. Нейтрино беспрепятственно пронизывают, толщу Земли и Солнца.

 

Кварк-лептонная симметрия

Кварк-лептонная симметрия: в природе встречается 6 лептонов и 6 кварков (и их античастицы). Они делятся на 3 поколения, отличающихся массой: по два лептона и кварка в каждом поколении. Стабильное веще­ство Вселенной построено из частиц первого поколения: электронов и электронного нейтрино, и - и d -кварков.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: