 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( ноябрь 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
| Стандартная модель в физике элементарных частиц |
|---|
  |
В ядерной физике и физике элементарных частиц , то сильное взаимодействие является механизмом , ответственным за сильную ядерную силу , и является одним из четырех известных фундаментальных взаимодействий , с другими являются электромагнитизмом , то слабое взаимодействием , и гравитации . В диапазоне 10-15 м (1 фемтометр ) сильная сила примерно в 137 раз сильнее электромагнетизма, в миллион раз сильнее слабого взаимодействия и в 10 38 раз сильнее гравитации. [1]Сильное ядерное взаимодействие скрепляет большую часть обычного вещества, поскольку оно удерживает кварки в адронных частицах, таких как протон и нейтрон . Кроме того, сильная сила связывает эти нейтроны и протоны с образованием атомных ядер. Большая часть массы обычного протона или нейтрона является результатом энергии сильного силового поля ; отдельные кварки обеспечивают только около 1% массы протона.
Сильное взаимодействие наблюдается на двух диапазонах и обеспечивается двумя носителями силы. В более крупном масштабе (примерно от 1 до 3 фм ), то сила (переносится мезонов ) , который связывает протоны и нейтроны (нуклоны) вместе , чтобы сформировать ядро из качестве атома . В меньшем масштабе (менее 0,8 фм, радиус нуклона) именно сила (переносимая глюонами ) удерживает кварки вместе, образуя протоны, нейтроны и другие адронные частицы. [2] В последнем контексте это часто называют силой цвета.. Сильное взаимодействие по своей сути обладает такой высокой силой, что адроны, связанные с ним, могут производить новые массивные частицы . Таким образом, если адроны поражаются частицами высоких энергий, они порождают новые адроны вместо того, чтобы испускать свободно движущееся излучение ( глюоны ). Это свойство сильного взаимодействия называется удержанием цвета , и оно предотвращает свободное «излучение» сильного взаимодействия: вместо этого на практике образуются струи массивных частиц.
В контексте атомных ядер та же самая сильная сила взаимодействия (которая связывает кварки в нуклоне ) также связывает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро. В этом качестве это называется ядерной силой (или остаточной сильной силой ). Таким образом, остаток от сильного взаимодействия протонов и нейтронов также связывает ядра вместе. [3] Таким образом, остаточное сильное взаимодействие подчиняется зависимому от расстояния поведению между нуклонами, которое сильно отличается от того, когда оно действует, связывая кварки внутри нуклонов. Кроме того, существуют различия в энергиях связи ядерной силы ядерного синтеза по сравнению с ядерным делением.. На ядерный синтез приходится большая часть энергии Солнца и других звезд . Ядерное деление допускает распад радиоактивных элементов и изотопов , хотя он часто опосредуется слабым взаимодействием . Искусственно энергия, связанная с ядерными силами, частично высвобождается в ядерной энергетике и ядерном оружии , как в оружии деления на основе урана или плутония, так и в термоядерном оружии, таком как водородная бомба . [4] [5]
Сильное взаимодействие опосредуется обменом безмассовыми частицами, называемыми глюонами, которые действуют между кварками, антикварками и другими глюонами. Считается, что глюоны взаимодействуют с кварками и другими глюонами посредством заряда, называемого цветным . Цветной заряд аналогичен электромагнитному заряду, но он бывает трех типов (± красный, ± зеленый, ± синий), а не один, что приводит к другому типу силы с другими правилами поведения. Эти правила подробно описаны в теории квантовой хромодинамики (КХД), которая представляет собой теорию кварк-глюонных взаимодействий.
История [ править ]
До 1970-х годов физики не знали, как атомные ядра связаны друг с другом. Было известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов и что протоны обладают положительным электрическим зарядом , а нейтроны электрически нейтральны. Согласно пониманию физики того времени, положительные заряды будут отталкиваться друг от друга, а положительно заряженные протоны должны заставить ядро разлететься. Однако этого никогда не наблюдалось. Для объяснения этого явления требовалась новая физика.
Постулировалась более сильная сила притяжения, чтобы объяснить, как атомное ядро было связано, несмотря на взаимное электромагнитное отталкивание протонов . Эта гипотетическая сила была названа сильной силой , которая считалась фундаментальной силой, действующей на протоны и нейтроны, составляющие ядро .
Позже было обнаружено, что протоны и нейтроны не были элементарными частицами, а состояли из составляющих частиц, называемых кварками . Сильное притяжение между нуклонами было побочным эффектом более фундаментальной силы, которая связала кварки в протоны и нейтроны. Теория квантовой хромодинамики объясняет, что кварки несут так называемый цветной заряд , хотя он не имеет отношения к видимому цвету. [6] Кварки с разным цветовым зарядом притягиваются друг к другу в результате сильного взаимодействия , и частица, которая его опосредует, была названа глюоном .
Поведение сильной силы [ править ]
Слово « сильное» используется, поскольку сильное взаимодействие является «самой сильной» из четырех фундаментальных сил. На расстоянии 1 фемтометр (1 фм = 10 -15 метров) или меньше его сила примерно в 137 раз больше, чем у электромагнитной силы , примерно в 10 6 раз больше, чем у слабой силы , и примерно в 10 38 раз больше силы гравитация .
Сильное взаимодействие описывается квантовой хромодинамикой (КХД), частью стандартной модели физики элементарных частиц. Математически КХД - это неабелева калибровочная теория, основанная на локальной (калибровочной) группе симметрии, называемой SU (3) .
Частицей-носителем силы сильного взаимодействия является глюон, безмассовый бозон . В отличие от фотона в электромагнетизме, который является нейтральным, глюон несет цветной заряд. Кварки и глюоны - единственные фундаментальные частицы, которые несут ненулевой цветной заряд, и, следовательно, они участвуют в сильных взаимодействиях только друг с другом. Сильное взаимодействие является выражением взаимодействия глюона с другими кварковыми и глюонными частицами.
Все кварки и глюоны в КХД взаимодействуют друг с другом посредством сильного взаимодействия. Сила взаимодействия параметризуется константой сильной связи . Эта сила модифицируется калибровочным цветовым зарядом частицы, теоретико-групповым свойством.
Между кварками действует сильное взаимодействие. В отличие от всех других сил (электромагнитной, слабой и гравитационной), сильная сила не уменьшается с увеличением расстояния между парами кварков. После достижения предельного расстояния (размером с адрон ) его сила остается примерно в 10 000 ньютонов (Н) , независимо от того, насколько дальше расстояние между кварками. [7]По мере того, как расстояние между кварками увеличивается, энергия, добавленная к паре, создает новые пары совпадающих кварков между двумя исходными; следовательно, невозможно создать отдельные кварки. Объяснение состоит в том, что количество работы, проделанной против силы в 10 000 ньютонов, достаточно для создания пар частица-античастица на очень коротком расстоянии от этого взаимодействия. Сама энергия, добавленная к системе, необходимая для разрыва двух кварков, создаст пару новых кварков, которые сойдутся в пары с исходными. В КХД это явление называется удержанием цвета ; в результате можно наблюдать только адроны, а не отдельные свободные кварки. Свидетельством этого явления считается провал всех экспериментов по поиску свободных кварков .
Элементарные кварковые и глюонные частицы, участвующие в столкновении высоких энергий, не наблюдаются напрямую. Взаимодействие создает наблюдаемые струи вновь созданных адронов. Эти адроны создаются как проявление эквивалентности массы и энергии, когда в кварк-кварковую связь вкладывается достаточная энергия, например, когда кварк одного протона сталкивается с очень быстрым кварком другого протона во время эксперимента с ускорителем частиц . Однако наблюдалась кварк-глюонная плазма . [8]
Остаточная сильная сила [ править ]
Это не тот случай, когда каждый кварк во Вселенной притягивает каждый другой кварк указанным выше способом, не зависящим от расстояния. Ограничение цвета подразумевает, что сильная сила действует без уменьшения расстояния только между парами кварков, и что в коллекциях связанных кварков ( адронов ) чистый цветовой заряд кварков по существу сокращается , что приводит к ограничению действия кварков. силы. Коллекции кварков (адронов) поэтому появляются почти без цветного заряда, и поэтому между этими адронами почти отсутствует сильное взаимодействие. Однако отмена не совсем идеальна, и остаточная сила (описанная ниже) остается. Эта остаточная сила делаетбыстро убывают с расстоянием и, таким образом, очень малодействующие (фактически несколько фемтометров). Оно проявляется как сила между «бесцветными» адронами и иногда известна как сильное ядерное взаимодействие или просто ядерное взаимодействие .
Ядерная сила действует между адронами , известными как мезоны и барионы . Эта «остаточная сильная сила», действуя косвенно, передает глюоны, которые составляют часть виртуальных π- и ρ- мезонов , которые, в свою очередь, передают силу между нуклонами, удерживающими ядро (помимо протия ) вместе.
Таким образом, остаточное сильное взаимодействие является незначительным остатком сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе в протоны и нейтроны. Эта же сила намного слабее между нейтронами и протонами, потому что она в основном нейтрализуется внутри них, точно так же, как электромагнитные силы между нейтральными атомами ( силы Ван-дер-Ваальса ) намного слабее, чем электромагнитные силы, удерживающие электроны в связи с ядром. , образуя атомы. [9]
В отличие от самой сильной силы, остаточная сильная сила действительно уменьшается в силе, и на самом деле она быстро уменьшается с расстоянием. Уменьшение примерно как отрицательная экспоненциальная степень расстояния, хотя для этого нет простого выражения; увидеть потенциал Юкавы . Быстрое уменьшение остаточной силы притяжения с расстоянием и менее быстрое уменьшение электромагнитной силы отталкивания, действующей между протонами внутри ядра, вызывает нестабильность более крупных атомных ядер, таких как все ядра с атомными номерами больше 82 (элемент ведет ).
Хотя ядерное взаимодействие слабее, чем само сильное взаимодействие, оно по-прежнему очень энергично: переходы производят гамма-лучи . Масса ядра существенно отличается от суммарных масс отдельных нуклонов. Этот дефект массы связан с потенциальной энергией, связанной с ядерной силой. Различия между массовыми дефектами при ядерном синтезе и делении ядер .
Объединение [ править ]
Так называемые теории Великого Объединения (GUT) стремятся описать сильное взаимодействие и электрослабое взаимодействие как аспекты единой силы, подобно тому, как электромагнитное и слабое взаимодействия были объединены моделью Глэшоу – Вайнберга – Салама в электрослабое взаимодействие . Сильное взаимодействие имеет свойство, называемое асимптотической свободой , при котором сила сильного взаимодействия уменьшается при более высоких энергиях (или температурах). Теоретическая энергия, в которой ее сила становится равной электрослабому взаимодействию, является энергией великого объединения . Тем не менее, теория Великого Объединения еще не была сформулирована для описания этого процесса, и Великое Объединение остаетсянерешенная проблема в физике .
Если GUT верен, то после Большого взрыва и во время электрослабой эпохи Вселенной электрослабая сила отделилась от сильной. Соответственно, предполагается, что эпоха великого объединения существовала до этого.
См. Также [ править ]
- Энергия связи ядра
- Цвет заряда
- Константа связи
- Ядерная физика
- Вопрос КХД
- Квантовая теория поля и калибровочная теория
- Стандартная модель физики элементарных частиц и Стандартная модель (математическая формулировка)
- Слабое взаимодействие , электромагнетизм и гравитация
- Межмолекулярная сила
- Вихрь
- Юкава взаимодействие
Ссылки [ править ]
- ^ Относительная сила взаимодействия зависит от расстояния. См., Например, эссе Мэтта Страсслера «Сила известных сил» .
- ^ Четыре силы: сильное взаимодействие веб-сайт Департамента астрофизики Университета Дьюка
- ^ Четыре силы: сильное взаимодействие веб-сайт Департамента астрофизики Университета Дьюка
- ^ об энергии связывания: см. " Энергия связывания, дефект массы" , образовательный сайт по физике пушистых слонов, ретр 2012-07-01
- ^ об энергии связывания: см. главу 4 «Ядерные процессы», «Сильная сила» , М. Рагхеб, 27 января 2012 г., Университет Иллинойса
- Перейти ↑ Feynman, RP (1985). QED: Странная теория света и материи . Издательство Принстонского университета. п. 136. ISBN. 978-0-691-08388-9.
Идиоты-физики, которые больше не могут придумать никаких чудесных греческих слов, называют этот тип поляризации неудачным названием «цвет», которое не имеет ничего общего с цветом в обычном смысле.
- ^ Фрич, оп. цитировать, стр. 164. Автор утверждает, что сила между разноцветными кварками остается постоянной на любом расстоянии после того, как они проходят лишь крошечное расстояние друг от друга, и равна силе, необходимой для подъема одной тонны, что составляет 1000 кг × 9,8 м / с² = ~ 10000 Н.
- ^ «Кварк-глюонная плазма - самое изначальное состояние материи» . About.com Education . Архивировано из оригинала на 2017-01-18 . Проверено 16 января 2017 .
- ^ Фрич, H. (1983). Кварки: вещество материи . Основные книги. С. 167–168 . ISBN 978-0-465-06781-7.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Кристман, младший (2001). "MISN-0-280: Сильное взаимодействие " (PDF) . Проект PHYSNET . Внешняя ссылка в
|website=( помощь ) - Гриффитс, Дэвид (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-60386-3.
- Halzen, F .; Мартин, AD (1984). Кварки и лептоны: вводный курс современной физики элементарных частиц . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-88741-6.
- Кейн, GL (1987). Современная физика элементарных частиц . Книги Персея. ISBN 978-0-201-11749-3.
- Моррис, Р. (2003). Последние колдуны: путь от алхимии к таблице Менделеева . Джозеф Генри Пресс. ISBN 978-0-309-50593-2.
Внешние ссылки [ править ]
 | В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Сильное взаимодействие |
- Сильная сила в Британской энциклопедии
| vтеСтандартная модель | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Фон |
|  | |||||||
| Избиратели |
| ||||||||
| За пределами стандартной модели |
| ||||||||
| Эксперименты |
|
