Фундаментальные взаимодействия

Различные по масштабам связанные физические системы, на­пример ядра, представляющие совокупность нуклонов, атомы - совокупность ядра и электронов, молекулы - совокупность ато­мов, макросистемы, звездные системы и т.п., существуют как единое целое благодаря так называемой энергии взаимодействия составляющих систему элементов. Основополагающий принцип, определяющий форму существования и простейших, и самых сложных систем в Природе, состоит в том, что свободная система принимает состояние с минимальной энергией - наиболее веро­ятное из всех возможных. Этот принцип можно проследить на всех иерархических уровнях. Например, нуклоны в атомном ядре «упакованы» в состояние с наименьшей массой, т.е. с наимень­шей энергией; у предоставленного самому себе невозбужденного атома электроны занимают наинисшие энергетические уровни (с учетом принципа Паули).

Типы взаимодействия. В настоящее время считается, что уст­ройство Природы может быть в принципе объяснено с помощью взаимодействия относительно небольшого набора так называемых элементарных частиц (см. ниже). Выделяют четыре типа взаимо­действий, к которым сводится любое взаимодействие любых объектов. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и сла­бое взаимодействия. Напомним, что электромагнитная концепция мироздания ограничивалась первыми двумя из них.

Гравитационное взаимодействие свойственно всем объектам Вселенной. Оно проявляется в виде сил всемирного тяготения и обусловливает существование астрономических объектов и эволю­цию Вселенной как целого. В микромире гравитационное взаимо­действие не играет заметной роли.

В электромагнитном взаимодействии участвуют только элек­трически заряженные частицы и фотоны. Им обусловлены связи в атомах, молекулах, макротелах. Огромное большинство макро­скопических свойств, вещества имеет электромагнитную природу.

Сильное (ядерное) взаимодействие «отвечает» за стабильность атомных ядер, удерживая протоны вместе вопреки кулоновским силам отталкивания. В нем участвуют элементарные частицы, называемые адронами.

Слабое взаимодействие присуще всем частицам, кроме фото­нов. Оно не удерживает вместе какие-либо частицы, однако ответственно за некоторые реакции ядерного распада, включая реакции, обеспечивающие выделение солнечной энергии.

Указанные взаимодействия различаются по интенсивности и радиусу действия. В табл. 5.1 интенсивность сильного взаимо­действия принята за единицу. Таким образом, упрощенно можно считать, что сильное и слабое взаимодействия имеют определя­ющее значение для микрообъектов, электромагнитное — для макрообъектов и гравитационное - для мегамира. Преобладающий тип взаимодействия для характерных размеров объектов Природы показан на рис. 5.1

Таблица 5.1.

Механизм взаимодействий. В классической физике считается, что взаимодействие осуществляется через поле. Под физическим полем понимается особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие. С этой точки зрения, например, электромагнитное взаимодействие заряженных частиц, заклю­чается в том, что заряд возбуждает электромагнитное поле в окружающем пространстве, которое распространяется со ско­ростью с и оказывает воздействие на все окружающие заряды. В квантовой физике на место классического возбуждения поля ставится возникновение соответствующего кванта поля. Для электромагнитного поля таким квантом является виртуальный фотон. При этом взаимодействие между зарядами трактуется как обмен виртуальными фотонами. Наглядно обменную модель электромагнитного взаимодействия можно представить так: вок­руг заряженной частицы постоянно существует «облако» вирту­альных фотонов, которые непрерывно испускаются и поглоща­ются данной частицей. Взаимодействие проявляется при обмене такими фотонами. Вероятность испускания и поглощения фотона какой-либо заряженной частицей определяется электрическим зарядом частицы, который таким образом служит мерой интен­сивности электромагнитного взаимодействия. С удалением от частицы “облако” виртуальных фотонов ослабевает, что приводит к ослаблению поля, уменьшению силы взаимодействия между зарядами.

Рассмотренный обменный механизм справедлив и для других фундаментальных взаимодействий. Для каждой из них характерна своя частица-переносчик.

Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. В качестве меры интенсивности сильного взаимодействия высту­пает качество, названное цветом (цветовым зарядом). Глюонами обмениваются кварки, в результате чего последние «склеиваются» в адроны. В свою очередь адроны, входящие в состав атомных ядер (т.е. нуклоны), взаимодействуют посредством обмена π-мезонами. Благодаря этому ядра большинства элементов стабильны.

Для слабого взаимодействия переносчиками являются проме­жуточные бозоны, для гравитационного - как полагают, гравито­ны. Интенсивность взаимодействия зависит от времени, необходимого для обмена частицей-переносчиком, и от расстояния, на котором такой обмен может осуществляться. Время и расстояние, в свою очередь, связаны со свойствами частицы, переносящей взаимодействие. Частицы-переносчики взаимодействий относятся к фундаментальным частицам. Все они являются виртуальными и принципиально необнаружимы.

О единой теории взаимодействий. Выявление общности обмен­ного механизма всех взаимодействий стимулировало попытки свести четыре типа взаимодействий к одному всеобщему и универсальному. Такая попытка удалась в отношении электромагнит­ного и слабого взаимодействий, сведенных к электрослабому взаимодействию. Ведется работа по объединению электрослабого и сильного взаимодействий в электроядерное. Соответствующая теория предполагает, что на очень малых расстояниях и при высоких энергиях слабое, электромагнитное и сильное взаимо­действия проявляют себя как единая сила.

Предпринимаются попытки объединения описания всех четы­рех типов взаимодействий («расширенная супергравитация», ве­ликое объединение).

Элементарные частицы

Естественно начать рассмотрение структуры материи с самых «мелких» структурных единиц, существование которых в настоя­щее время установлено. Такие частицы получили название эле­ментарных, как более неделимых (их структура не обнару­живается), и как фундаментальных, из которых состоит материя.

Классификация элементарных частиц. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, составляют семейство адронов. Это барионы (протон р, нейтрон n), гипероны (λ, Σ и др.), мезоны (π-; k -), а также большая группа так называемых резонансных частиц (резонансов). Барионы обладают полуцельми спинами, мезоны — целыми. Барионы отличаются от мезонов так называемым барионным зарядом, в связи с чем превращения барионов в мезоны запрещены законом сохранения барионного заряда. Это важное свойство, которое обеспечивает стабильность ядер и, следовательно, всего окружающего мира. Действительно, если бы являющиеся барионами нуклоны (протон и нейтрон) могли превращаться в мезоны, то атомные ядра в итоге распались бы. Адроны не являются истинно элементарными частицами, т. е. имеют внутреннюю структуру. Этим объясняется в частности нестабильность большинства из адронов.

На сегодня можно считать доказанным существование истин­но фундаментальных бесструктурных частиц, образующих адроны. Эти частицы называются кварками (Гелл-Манн. Цвейг, 1963). Они пока экспериментально не обнаружены, предположительно потоки, что не существуют по отдельности, т. е. в свободном состоянии. Известно, что заряд кварков кратен 1/3 е, а спин равен 1/2. Предполагается существование шести типов кварков, различающихся по характеристике, называемой «ароматом» (верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, прелест­ный); каждый кварк характеризуется еще и определенным кван­товым числом - «цветом» (красный, зеленый, голубой). Все барионы состоят из трех кварков (протон, например из двух верхних с зарядами +2/З е и одного нижнего с зарядом - 1/З е). По «цвету» тройка кварков «подбирается» так, чтобы протон был «белым». Мезоны состоят из кварка и антикварка.

Все остальные частицы (кроме фотона), не участвующие в сильных взаимодействиях, названы лептонами. Семейство лептонов представлено шестью бесструктурными («точечными») части­цами: электрон е, мюон μ, тау-лептон (таон) τ и соответствующие этим частицам нейтрино (v _e, v _μ, v _τ).

Согласно принципу кварк-лептон ной симметрии каждому лептону соответствует определенный кварк (табл. 5.2).

Таблица 5.2.

Таким образом, кварки и лептоны на сегодняшний день на­ряду с частицами-переносчиками взаимодействий считаются ис­тинно элементарными (фундаментальными) частицами. Из лептонов и кварков первого поколения вместе с фотонами построена современная Вселенная. Полагают, что частицы второго и треть­его поколений играли важную роль в ранней Вселенной, в пер­вые мгновения Большого Взрыва, при этом различия между кварками и лептонами не существовало.

Основные характеристики элементарных частиц. Одной из важ­нейших характеристик элементарных частиц является стабиль­ность, т. е. способность определенное время (время жизни) находиться в свободном состоянии. Среди экспериментально об­наруженных частиц лишь немногие стабильны. Неограниченно долго в свободном состоянии могут существовать протон, электрон, фотон и, как считается, нейтрино всех типов. Все другие частицы, стремясь перейти в состояние с минимальной энергией, более или менее быстро распадаются, достигая конечного устойчивого состояния. Самое короткое время жизни (~10^-23 с) у резонансных частиц. Нейтрон в свободном состоянии существует ~10³ с. В семействе лептонов мюон «живет» ~10-6 с, таон ~10^-12 с.

Предполагается, что в Природе короткоживущие элементар­ные частицы играют определяющую роль в экстремальных условиях, например, подобных начальным стадиям образования Вселенной.

Массы покоя стабильных элементарных частиц имеют следующие значения: протона m _p ≈ 1,67 · 10^-27кг, электрона m _е ≈ 0,91 · 10^{-30 кг. У фотона и всех типов нейтрино масса покоя равна нулю.}

Как правило, массы элементарных частиц выражаются в энер­гетических единицах - электрон-вольтах. Тогда m _р≈938,3×10⁶ эВ =938,3 МэВ, m _е ≈ 0,51 МэВ.

Элементарные частицы обладают электрическим зарядом +е или -е или являются электрически нейтральными.

Заряд электрона е равен - 1,6 · 10^-19 Кл.

Одна из важнейших характеристик элементарных частиц - спин. Значение спина определяет вид волновой функции (симмет­ричная или антисимметричная) и вид статистики (т.е. закона, которым описывается поведение коллектива микрочастиц). Час­тицы с нулевым или целочисленным спином (фотоны, π-мезоны и др.) подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и называются бозонами. Частицы с полуцелым спином (электроны, протоны, нейтроны) подчиняются статистике Ферми-Дирака и называются фермионами. Фундаментальными фермионами являются лептоны к кварки. Фермионы подчиняются принципу Паули, согласно ко­торому в любой системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоя­нии. Применительно к распределению электронов в атоме прин­цип Паули утверждает; что в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел n, l, m и σ.

Принцип Паули основан на неразличимости одинаковых кван­товых частиц. При перестановке двух фермионов волновая функ­ция должна изменить свой знак. Однако, если состояния двух фермионов (т. е. их наборы квантовых чисел) одинаковы, то ψ-функция не должна менять знака. Это противоречие формаль­но устраняется только при ψ=0, что означает невозможность (нулевую вероятность) нахождения частицы в таком состоянии.

Античастицы. Для каждой известной элементарной частицы существует так называемая античастица. Массы, времена жизни и спин частицы и античастицы одинаковы. Остальные характерис­тики, например, электрический заряд, магнитный момент - рав­ны по модулю, но противоположны по знаку. Такими парами являются, например, протон р и антипротон , электрон ^- и антиэлектрон е ⁺ (т.е. позитрон е ⁺). Некоторые частицы, напри­мер, фотон, тождественны своим античастицам.

Античастицы рождаются в ядерных реакциях при достаточно больших энергиях, но в веществе время жизни их мало. При встрече частицы и античастицы происходит аннигиляция. Масса и кинетическая энергия пары «частицы-античастицы» превраща­ются в энергию фотонов или других частиц. Например, при аннигиляции электрона и позитрона выделяется два фотона:

е ^- + е ⁺ → 2γ.

В свою очередь, фотоны могут превращаться в электронно- позитронные пары. В подобных реакциях ярко проявляется отсутствие четкой грани между полем и веществом, характерной для классической картины мира.

Атомные ядра

Следующим в рассматриваемой иерархии объектов Природы является атомное ядро. Ядро представляет собой связанную сис­тему из адронов двух типов - протонов и нейтронов, которые объединяют в этом случае общим наименованием «нуклоны». Протон есть ядро простейшего атома - атома водорода. Он имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. Нейтрон электрически нейтрален. Масса нейтрона m _n=1,6750·10^{-27 кг}. Число протонов -в ядре атома называется атомным номером (Z), а общее число нуклонов - массовым числом (А). Заряд ядра положителен и равен Z · е. Большинство атомных ядер представлены группами изотопов. Заряд Z в каждой группе изотопов постоянен, а количество нейтронов различно. Различают стабильные, долгоживущие и радиоактивные изотопы. Причины радиоактивной нестабильности связаны с недостатком или избытком нейтронов внутри ядра.

Размер ядра условно характеризуется радиусом R ядра. Радиус возрастает с увеличением числа нуклонов в соответствии с фор­мулой , где R ₀ = (1,3 …, 1,7) · 10^{-15 м}. Плотность «упаковки» нуклонов в ядре очень велика и составляет ~10⁴⁴ нуклонов/м³ или 10¹⁷ кг/м³.

Как уже отмечалось, стабильность ядра объясняется наличием сильного взаимодействия или ядерных сил притяжения сил притяжения. Энергия, которая необходима для удержания нуклонов в ядре, в соответст­вии с законом сохранения энергии определяется работой, кото­рую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие нуклоны. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связь проявляется как уменьшение массы ядра при его образова­нии по сравнению с суммарной массой составляющих ядро нук­лонов:

Величина Δ m носит название дефекта массы. Энергия связи определяется как

Обычно ядро характеризуют удельной энергией связи, т. е. энергией, приходящейся на один нуклон. На рис. 5.3 приведена зависимость удельной энергии связи от массового числа А, характеризующая прочность связей нуклонов в ядрах различных хими­ческих элементов. Как следует из графика, наиболее прочными являются связи ядер элементов с массовыми числами (28... 138). По мере увеличения А энергия связи убывает. Понижение проч­ности ядер объясняется тем, что в легких ядрах связи нуклонов не насыщены, а в тяжелых ядрах начинает сказываться кулоновское отталкивание протонов друг от друга.

Рис. 5.3.

Из рис. 5.3 также видно, что процессы образования более ста­бильных ядер (т. е. характеризующихся большими значениями Δ Е _СВ сопровождаются выделением энергии. Таким образом, реак­ция слияния легких ядер с образованием более тяжелых (стрелка 1 на. рис. 5.3) и реакции деления тяжелых ядер (стрелка 2 на рис. 5.3) перспективны с точки зрения энергетики.

Подробно этот вопрос обсужден во второй части курса.

Ядерные реакции. Радиоактивность. Ядерными реакциями называются процессы, в результате которых из ядер одних элемен­тов получаются ядра других элементов. Эти процессы могут происходить как в результате внешних воздействий (например, «столкновения ядра с другими частицами), так и самопроизвольно, спонтанно (радиоактивный расти).

Ядерные реакции записываются подобно химическим. Напри­мер, в результате реакции деления ядра урана при столкновении с нейтроном образуются ядра цезия и рубидия и два нейтрона:

Облучение ядра нейтронами наиболее часто используется для осуществления ядерных реакций. Дело в том, что электрически нейтральный нейтрон не испытывает кулоновского отталкивания протонов ядра и легко в него проникает. Под действием высоко­энергетического (>100 МэВ) нейтронного облучения делятся все ядра.

Выделяющиеся в реакциях распада нейтроны могут вызвать деление других ядер, благодаря чему возникает цепная реакция - лавинообразный процесс, например, взрыв атомной бомбы. Часть нейтронов можно удалить из делящегося вещества, тогда реак­цией деления можно управлять. Поглощение нейтронов в графи­товых стержнях используется в атомных реакторах.

Самопроизвольный распад ядер с испусканием различных час­тиц называется радиоактивностью. В любом радиоактивном рас­паде масса исходного ядра превышает единицу масс продуктов распила, т.е. выделяется энергия. Естественная радиоактивность была открыта А. Бсккерелем (1896 г.), а искусственная - суп­ругами Жолио-Кюри (1936 г.). Основными типами радиоактив­ности является альфа-, бета- и гамма-распады.

Альфа-распад заключается в самопроизвольном испускании ядром ci-частицы (т. е. ядра гелия ). Альфа-распад наблюда­ется только у тяжелых ядер с Z ≥ 82.

При бета-распаде ядро испускает электрон и электронное антинейтрино (или позитрон и электронное нейтрино):

Бета-распад обусловлен превращением нуклонов, вызываемых слабым взаимодействием, например в первой из записанных реакции происходит превращение нейтрона по схеме

Гамма-распад состоит в испускании ядром фотонов с высокой энергией (γ-квантов). Ядро, являясь квантовой системой, может находиться в состояниях с различной энергией. При переходах из возбужденных энергетических состояний в основные, невозбужденные, ядра испускают γ-кванты. При этом ни массовое число Л, ни атомный номер ядра Z не изменяются.