Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

= e2/c 1/137.

Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.

 С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?

Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Константа электромагнитного взаимодействия отвечает за превращение заряженных частиц в такие же частицы, но при изменении скорости их движения и появлении дополнительной частицы - фотона. Сильное и слабое взаимодействия проявляются в процессах микромира, где возможны взаимопревращения частиц. Константа сильного взаимодействия количественно определяет взаимодействие барионов. Константа слабого взаимодействия связана с интенсивностью превращений элементарных частиц при участии нейтрино и антинейтрино.

Таким образом, считается, что все четыре вида взаимодействия и их константы обусловливают нынешнее строение и существование Вселенной. Так, гравитационное - удерживает планеты на их орбитах и тела - на Земле. Электромагнитное - удерживает электроны в атомах и соединяет их в молекулы, из которых, в том числе, состоим и мы сами. Слабое - обеспечивает длительное горение Солнца, дающего энергию для протекания всех процессов на Земле. Сильное взаимодействие обеспечивает возможность стабильного существования ядер атомов. Теоретическая физика показывает, что изменение числовых значений этих констант приводит к разрушению устойчивости одного или нескольких структурных элементов Вселенной. Например, изменение массы покоя электрона m0 от ~0,5 МэВ до 0,9 МэВ приведет к невозможности энергетического баланса в реакции образования дейтрона в солнечном цикле. Дейтрон - атом водорода, состоящий из протона и нейтрона. Это «тяжелый» водород с А = 2 (тритий имеет А = 3). Уменьшение αs всего на 40% привело бы к тому, что дейтрон был бы не стабилен. Увеличение же делало бы стабильным бипротон, что привело бы к выгоранию водорода на ранних стадиях эволюции Вселенной. Константа αe изменяется в пределах . Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение αw приводит к уменьшению времени жизни свободного нейтрона. Это, в свою очередь, означает, что на ранней стадии Вселенной не образовался бы гелий и не было бы реакции тройного слияния α-частиц при синтезе углерода (). Тогда вместо нашей углеродной была бы водородная Вселенная. С другой стороны, уменьшение αw привело бы к тому, что все протоны оказались бы связаны в α-частицы.

В современном естествознании предполагается, что мировые константы стабильны начиная со времени 10-35 с с момента рождения Вселенной, и что таким образом в нашей Вселенной как бы существует очень точная «подгонка» числовых значений мировых констант, обусловливающих существование ядер, атомов, звезд и галактик. Возникновение и существование такой ситуации не ясно. Тем не менее, эта «подгонка» (константы именно такие, какие они есть!) создает условия для существования не только сложных неорганических, органических и живых структур, но, в конечном счете, и человека[4].

1.3. Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.
        Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.

Характерный масштаб сильного взаимодействия можно проиллюстрировать рассмотрев два покоящихся нуклона. Теория приводит к потенциальной энергии их взаимодействия в виде потенциала Юкавы

,

где величина r010-13  см и совпадает по порядку величины с характерным размером ядра, g - константа связи сильного взаимодействия. Это соотношение показывает, что сильное взаимодействие является короткодействующим и по существу полностью сосредоточено на расстояниях, не превышающих характерного размера ядра. При r > r0 оно практически исчезает. Известным макроскопическим проявлением сильного взаимодействия служит эффект -радиоактивности. Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.

 В настоящее время существует квантовая теория сильного взаимодействия, получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы - глюоны. По современным представлениям частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые адронами, состоят из элементарных частиц - кварков.

 Кварки представляют собой фермионы со спином 1/2 и ненулевой массой. Наиболее удивительным свойством кварков является их дробный электрический заряд.

Природа устроена так, что взаимодействие кварков всегда ведет к образованию бесцветных связанных состояний, которые как раз и являются адронами. Например, протон и нейтрон составлены из трех кварков: p = uud, n = udd. Пион составлен из кварка u и антикварка :  = u. Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том, что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Это явление получило название асимптотической свободы и ведет к тому, что внутри адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Асимптотическая свобода естественным образом вытекает из квантовой хромодинамики.

Имеются экспериментальные и теоретические указания на то, что с ростом расстояния взаимодействие между кварками должно возрастать, в силу чего кваркам энергетически выгодно находиться внутри адрона. Это означает, что мы можем наблюдать только бесцветные объекты - адроны. Одиночные кварки и глюоны, обладающие цветом, не могут существовать в свободном состоянии. Явление удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило название конфайнмента. Для объяснения конфайнмента предлагались различные модели, однако последовательное описание, вытекающее из первых принципов теории, до сих пор не построено. С качественной точки зрения трудности связаны с тем, что, обладая цветом, глюоны взаимодействуют со всеми цветными объектами, в том числе и друг с другом. По этой причине квантовая хромодинамика является существенно нелинейной теорией и приближенные методы исследования, принятые в квантовой электродинамике и электрослабой теории, оказываются не вполне адекватными в теории сильных взаимодействий.

1.4. Слабое взаимодействие

Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Типичный пример слабого взаимодействия - это бета-распад нейтрона

n p + e- + e,

где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, e - электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона на протон p и отрицательно заряженный пион . По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.

 Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми GF. Константа GF размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи будет

GFmp2 ~ 10-5.

Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

  Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост[5]. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: -, - и -радиоактивных распадов. При этом -распад обусловлен сильным взаимодействием, -распад - электромагнитным. Оставшийся -распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

  Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом -радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1984.

2.      Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М.: Наука, 1988.

3.      Фридман Д., ван. Ньювенхейзен П. // Успехи физ. наук. 1979. Т. 128. N 135.

4.      Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр: Краткая история времени. М.: Мир, 1990.

5.      Девис П. Суперсила: Поиски единой теории природы. М.: Мир, 1989.

6.      Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1987.

7.      Готтфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. М.: Мир, 1988.

8.      Аруцев А. А, Ермолаев Б.В.  и др.., Семенович учебное пособие КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. Электронный учебник. http://nrc.edu.ru/est/index.html

ПРИЛОЖЕНИЕ

Фундаментальные физические константы

Абсолютный ноль температуры                                                       t = -273.15oC

Атомная единица массы                                       1 а.е.м. = 1.6605655*10-27 кг

Гравитационная постоянная                                         G = 6.672*10-11 H.м2/кг2

Заряд α-частицы                                                                  q = 2e = 3.204*10-19 Кл

Комптоновская длина волны электрона                         λc = 2.43*10-12 м

Магнитная постоянная                                      μo = 12.5663706144*10-7 Гн/м

Магнитный момент протона                                 μp = 1.4106171*10-26 Дж/Тл

Магнитный момент электрона                       μe = 9.28483*10-24 Дж/Тл

Масса α-частицы                                                     mα = 6.644*10-27 кг

Масса покоя нейтрона                                          mn = 1.6749543*10-27 кг

Масса покоя протона                                          mp = 1.6726485*10-27 кг

Масса покоя электрона                                   me = 9.109534*10-31 кг

Молярная газовая постоянная                         R = 8.31441 Дж/(моль.К)

Нормально ускорение свободного падения                     g = 9.81 м/с2

Постоянная Авогадро                                             NA = 6.022045*1023 моль-1

Постоянная Больцмана                                             k = 1.380662*10-23 Дж/К

Постоянная Вина                                                      b = 2.90*10-3 м.К

Постоянная Планка                                             h = 6.626176*10-34 Дж.с

Постоянная Стефана-Больцмана                       σ = 5.67*10-8 Вт/(м2.К4)

Постоянная Фарадея                                           F = 96.48456*103 Кл/моль

Скорость света в вакууме                                 c = 2.99792458*108 м/с

Универсальная газовая постоянная                      R = 8.314 Дж/(К.моль)

Элементарный заряд                                           e = 1.6021892*10-19 Кл

[1] Девис П. Суперсила: Поиски единой теории природы. М.: Мир, 1989.

[2]  Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр: Краткая история времени. М.: Мир, 1990.

[3] Аруцев А. А, Ермолаев Б.В.  и др.., Семенович учебное пособие КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. Электронный учебник. http://nrc.edu.ru/est/index.html

[4] Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1987.

[5] Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М.: Наука, 1988.