Фундаментальные взаимодействия

Сильное взаимодействе (ядерные силы притяжения), ответственное за связь нуклонов в ядре, -распад, является:

– короткодействующим,

– нецентральным, зависящим от взаимной ориентации спинов частиц,

– зарядово инвариантным, т. е. не зависящим от заряда частиц,

– обладающим насыщением, т. е. при окружении нуклона со всех сторон определенным числом других нуклонов за счет ядерных сил притяжения, он не действует на нуклоны вне окружения.

Слабое взаимодействие ответственно за все виды -распада ядер (включая К-захват), за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.

Электромагнитное взаимодействие ответственно за взаимодействие за счет наличия зарядов у частиц.

Гравитационное взаимодействие ответственно за взаимодействие за счет наличия массы у частиц.

Интенсивность взаимодействий: отношение энергий разных взаимодействий для двух одинаковых частиц (например, протонов), разделенных достаточно малым расстоянием.

Время взаимодействия: минимальное время жизни частиц, подверженных распадам в результате данного взаимодействия. Гравитационное взаимодействие не приводит к распадам.

Радиусы (в м) фундаментальных взаимодействий: сильное и слабое – короткодействующие, электромагнитное и гравитационное – дальнодействующие взаимодействия (радиус – бесконечность).

(данные с сайта www.i-exam.ru)

Вид взаимодействия	Интенсивность	Время жизни (с)	Радиус взаимодействия (м)
Сильное
Электромагнитное
Слабое
Гравитационное

Ядро. Элементарные частицы

Элементарные частицы – микрообъекты, которые невозможно расщепить на составные части, но они могут обладать структурой, т. е. состоять из других элементарных (фундаментальных) частиц.

Фундаментальные частицы – бесструктурные элементарные частицы: 12 лептонов и 36 кварков.

Переносчики взаимодействия – частицы, отвечающие за взаимодействие между элементарными частицами.

Квантовая статистика

Все элементарные частицы обладают собственным моментом вращения (импульса) или спиновым моментом и делятся на бозоны, имеющие спиновое число (спин) S = 0, 1 и фермионы, имеющие спиновое число S =1/2, 3/2.

Отметим, что все фундаментальные частицы – фермионы, а переносчики взаимодействия – бозоны.

ФЕРМИОНЫ (S=1/2, 3/2)

БОЗОНЫ (S=0,1)

Фундаментальные частицы

Элементарные частицы (Андроны)

Переносчики взаимодействий

Лептоны

Кварки

Барионы

Мезоны

Сильное

Электро- магнитное

Слабое

Гравита- ционное

12 S = 1/2

36 S = 1/2

Нуклоны S =1/2

Гипе- роны S =1/2 S =3/2

S = 0

Глюоны 8 S =1

Фотон S =1

Промежу- точные бозоны 3 S = 1

Гравитон S = 2 (?)

Лептоны – фермионы со спином 1/2 . Лептоны не участвующие в сильном взаимодействии. Участвуют в остальных трех. Всего 6 частиц и 6 античастиц. Для электрона, мюона и таона античастицы имею другой знак электрического заряда (частицы – минус, античастицы – плюс). Для всех видов нейтрино – противоположное направление спинового момента.

Частицы	Античастицы
электрон , электронное нейтрино , мюон , мюонное нейтрино , таон , таонное нейтрино .	позитрон , электронное антинейтрино , антимюон , мюонное антинейтрино , антитаон , таонное антинейтрино .

Кварки – фермионы со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом. Каждый кварк имеет три цвета. Всего 12х3 = 36 кварков.

Кварки	Антикварки
u d c s t b

Андроны участвуют в сильном взаимодействии (и остальных трех) и состоят из набора кварков. Андроны делятся на барионы (фермионы) и мезоны (бозоны). Барионы делятся на нуклоны и гипероны.

Нуклоны (фермионы со спином 1/2)	Гипероны (фермионы со спином 1/2 )	Мезоны (бозоны со спином 0)
протон p, антипротон нейтрон n, антинейтрон (другой знак собственного магнитного момента).	, , (3/2).	пи-плюс , пи-минус (пионы), пи-нуль , Ка-плюс , Ка-минус (каоны), Ка-ноль , Анти ка-ноль эта-ноль η0.

Если в названии частицы присутствует плюс, то это значит, что ее зарядовое число , если минус, то , если ноль, то , т. е. нет заряда. Исключение в форме записи – протон p ( и антипротон (

Все фундаментальные взаимодействия имеют обменный характер. В качестве элементарных актов каждого взаимодействия выступают процессы испускания и поглощения данной частицей  некоторой частицы ,  определяющей тип данного взаимодействия. Сама частица  может остаться неизменной, а может превратиться в некоторую другую частицу:

испускание , поглощение (

испускание , поглощение   (

Расположенная поблизости частица  также способна поглощать и испускать частицу :

поглощение , испускание (

поглощение , испускание (

Пусть имеются две частицы и Если испустит и превратится в

,

а  поглотит и превратится в

,

то промежуточная частица исчезнет. Получается, что до реакции были и , а после реакции – и т. е. имела место реакция

Пример. Взаимодействие нуклонов в ядре (обмен пи-мезонами или пионами)

.

Переносчики взаимодействия X (13 частиц, все бозоны)

Глюоны – переносчики сильного взаимодействия между кварками, 8 частиц.

П

ромежуточные (векторные) бозоны (W⁺,W^- и Z⁰) – переносчики слабого взаимодействия, 3 частицы.

П

ример.

распад:

Фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия (между всеми частицами, имеющими электрический заряд), не имеет ни заряда, ни массы покоя.

Гравитон – переносчик гравитационного взаимодействия (между частицами, имеющими массу), не имеет ни заряда, ни массы покоя (предположительно).