Реферат Фундаментальные взаимодействия. Реферат фундаментальные взаимодействия в природе

Рефераты | Piters.in

Рефераты | Piters.inВверх ⇑

Всё о Петербурге Интересные проекты Жизнь Петербурга

Рефераты по КСЕ (могут ведь кому-нибудь пригодиться;)

Реферат на тему «Фундаментальные взаимодействия в природе»Экспериментальные данные современной науки показывают, что существует четыре качественно разных вида взаимодействий элементарных частиц , так называемых, фундаментальных.Помимо качества, взаимодествия разнятся по интенсивности: от гравитационного (самое слабое), к слабому, электромагнитному и сильному (самое интенсиное). Так называемая константа связи, характеризует взаимодейтвия, определяя их интенсивность.Качественно же взаимодействия переносятся квантами – элементарными частицами. Один физический объект выделяет частицы - переносчики взаимодействия, другой их поглощает. Происходит взаимное влияние.

Идея объединения четырёх взаимодействий в одно «фундаментальное взаимодействие» (проявляющее себя как один из четырёх указанных видов или как их комбинацию) давно прорабатывается физиками. Общепризнана теория объединения слабого и электромагнитного взаимодействий. Прорабатывается «теория великого объединения», объединяющая слабые, электромагнитные и сильные взаимодествия., а также теория, объединяющая все четыре вида взаимодействий

Ниже даю описания четырех взаимодействий.

Гравитация.

Гравитацию стали глубоко изучать раньше всех фундаментальных взаимодействий. (Закон всемирного тяготения Ньютона).

Первая интересная особенность гравитации – чрезвычайно малая её интенсивность (на три порядка меньше, чем у электро-магнитного взаимодействия). Вторая особенность – это универсальность гравитации. Любой физический объект во Вселенной подвержен гравитации, вызывает гравитацию и испытывает на себе влияние других объектов. Общеизвестно, что сила гравитации тем больше, чем больше массы физических объектов, её создающих, соответственно в микромире её роль сведена к минимуму и соответствующие квантовые эффекты зафиксировать пока не удаётся.

Помимо прочего, гравитация может действовать на предмет на значительном расстоянии. (несмотря на уменьшение силы притяжения с увеличением расстояния между объектами). Из-за такого дальнодействия Вселеная не «разваливается на части»: планеты не уходят с орбит, звёзды – из галактик, галактики – из скоплений галактик, скопления – из Мегагалактики. Во многих аспектах астрономии гравитационное взаимодействие оказывается очень существенным.

Сила гравитации всегда работает на притяжение объектов. Гравитационное отталкивание не зафиксировано.

Электромагнетизм.

По интенсивности электромагнитное взаимодействие во много раз ревосходит гравитационное. Поэтому его гораздо легче наблюдать в отношении объектов обычного размера. Такие электромагнитные явления, как молнии, полярные сияния и проч у всех на виду с незапамятных времен.

Очень долго электрические и магнитные явления рассматривались по отдельности, вплоть до серелины XIX века, до первой единой теории поля Максвелла. В 1890-е годы произошло открытие электрона как частицы, переносящий электрический заряд. Но его переносят не все, а только заряженные частицы (к примеру, фотон таковой не является), и этим электричество рознится с гравитацией. Электромагнитное поле создают только заряженные частицы, гравитационное – все.

Что касается магнетизма, то, как и заряды в электричестве, одноименные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются, Но магнитные полюса не встречаются по отдельности, только по два: южный и северный. Ещё в глубокой древности люди пытались получить из магнита монополь – изолированный пояс, но успехом это не заканчивалось: при отделении образуются два новых биполярных магнита. Науке до сих пор не понятно возможно ли вообще получить изолированный полюс, некоторые теории говорят, что существование монополя возможно.

Электрическая и магнитная силы являются (как и гравитация) дальнодействующими и проявляются на всех уровнях: от микро- до мегамира.

К примеру, электромагнитное поле Солнца простирается на всю солнечную систему, электромагнитные поля есть и у галактик. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и (исключая ядерные процессы) отвечает за огромное количество физических и химических процессов Стандартные силы (трения, упругости, поверхностного на тяжения) сводятся к электромагнетизму, агрегатные состояния вещества и оптические явления также им определяются.

Слабое взаимодействие.

Ответственно за процессы распада частиц, поэтому было замечено с открытием радиоактивности и дальнейшими исследованиями бета-распада

В бета-распаде учёные увидели нарушение закона сохранения энергии. Потерянную энергию В. Паули предложил «списывать на счёт» некой нейтральной частицы, имеющей очень высокую проникательную способность , которую, соответственно, невозможно зафиксировать. От Ферми пошло название «нейтрино».Но природа этой частицы была объяснена не сразу. Ведь элетроны и нейтрино выделись нестабильными ядрами, при этом было доказано, что внутри ядер самих частиц нет. Была высказана гипотеза о том, что частицы образуются из энергии радиоактивного ядра. Позже было показано, что входящие в состав ядра нейтроны распадаются на протон, электрон и нейтрино. Что за сила вызывала такой распад, было непонятно. Было выявлено некое слабое взаимодействие, соответствующее этой силе.

Это взаимодествие оказывается гораздо слабее электромагнитного и сильного взаимодействий , помимо этого, оно действует на очень ограниченных расстояниях и поэтому влияние его ограничено только микромиром. Оказалось, что большинство из того огромного количества частиц, открытых позже, принимают участие в этом виде взаимодействия.

Сильное взаимодействие.

Источник огромного количества энергии. К примеру, в звёздах, в том числе и в Солнце, происходят термоядерные реакции, им вызываемые. Но есть и гомогенные источники сильного взаимодейтвия, такие, как водородная бомба

При изучении структуры атомного ядраучёные понимали,что какая-то сила протоны в ядре, не давая им разлетаться из-за действия электростатического отталкивания. Нужно было выявить новое взаимодействие, сильнее электромагнитного. Оно было обнаружено позже. Было показано, что сильное взаимодествие, хоть и является самым сильным, не выходит за предел ядра, то есть, как и у слабого, радиус его очень мал.Помимо того, было выяснено, что не все частицы его испытывают (например, протоны и нейтроны его испытывают, а фотоны, электроны, нейтрино – нет, обычно в нем принимают участие тяжелые частицы )

Сильное взаимодействие происходит при образовании ядер, многие взаимодействия элемент. частиц.

Реферат на тему «Виртуальные частицы»Виртуальные частицы существуют в очень коротких состояниях, стандартные соотношения энергии/импульса/массы не выполняются. Остальные характеристики соответствуют тем же, что и у реальных частиц.

В КТП (квантовой теории поля) понятие «виртуальные частицы» - центральное. Взаимодействие и, соответственно, изменение частиц происходит из-за выделения и поглощения реальными частицами виртуальных. Каждая реальная частица выделяет и поглощает виртуальные частицы разных типов. К примеру, протон выделяет и поглощает (в том числе) виртуальные пи-мезоны и, соответственно, окружен облаком виртуальных частиц, сосчитать которые невозможно.

1)Классическая физика говорит о том, что частица, находящаяся в состоянии покоя либо равномерного прямолинейного движения (не испытывающая влияния внешних сил) не может ни выделить, ни поглотить другую. (будет нарушен закон сохранения энергии или закон сохранения импульса.

К примеру, свободный электрон не может выделить или поглотить фотон, ведь в таком состоянии имеет энергию покоя (минимальную из всех возможных) = m0c2 , где m нулевое – масса покоя электрона, с – скорость света. Соответственно, он не может выделить фотон, обладающий энергией (не позволяет закон сохранения энергии)

Электрон же, движущийся с постоянной скоростью, из-за своей кинетической энергии не может выделить фотон (закон сохранения импульса нарушается тем, что импульс, связанный с выделением фотона (из-за энергии, потраченной на выделение) будет больше импульса фотона (соответствующего своей энергии) из-за разницы масс.

При предполагаемом поглощении всё происходило бы аналогично.

2)Обратимся теперь к квантовой механике.По принципу неопределённости любая частица, существующая малый интервал ∆t не имеет строго фиксированной энергии. Энергия может варьироваться в пределах +/- ћ/∆t , где ћ – постоянная Планка (h,основная константа КТП), деленная на 2пи.Частица же, находящаяся только в области размером ∆x может нести импульс в пределах +/- ћ/∆x.происходит флуктуация энергии и импульса, и при небольших промежутках времени может временно не работать классический закон сохранения энергии, а при процессах, происходящих внутри малых объёмов ¬– закон сохранения импульса

Таким образом становится возможным выделение и поглощение электронами виртуальных фотонов, как и соответствующие этому процессы при условии, что процесс выделения и поглощения длился достаточно небольшой отрезок времени, так чтобы нарушение законов не противоречило допустимым соотношениям неопределенностей.

При этом закон сохранения электрического заряда (+барионного заряда, лептонного заряда) при соответствующих процессах выполняются чётко.

Другой взгляд на проблему заключается в следующем: можно считать, что энергия сохраняется и в тех случаях, когда время достаточно мало. Нарушается необычная связь Ek с импульсом и массой (E = р2/2m0). на больших скоростях нарушается соотношение (теор.относительности) E2 = c2p2 + с4m20 .

Таким образом, можно сказать, что взаимодействие реальных частиц обусловлено выделением и поглощением частиц виртуальных (обменом ими). Энергия и импульс в начале и в конце реакции неизменны, но во время реакции соответствующие законы сохранения не работают. Эта теория позволяет расписать любую реакцию реальных частиц как результат виртуальных процессов, имеющих место в течении очень малого промежутка времени.

Также, помимо обмена виртуальными частицами, существенен процесс образования виртуальных частиц при поглощении реальных частиц другими реальными частицами. В пример можно привести комптон-эффект, при котором фотон рассеивается электроном: сначала электрон поглощает фотон, образует виртуальный электрон, который распадается на реальный фотон и реальный электрон (но уже рассеянные, с другими направлениями движения и энергии)

Ещё можно сказать про эффект Казимира (взаимодействие и притяжение тел в вакууме как раз за счёт квантовых флуктуаций), а также другие (силы Ван дер Вальса, поляризация вакуума, излучение Хокинга, в сильном гравитационном поле излучение Унру и т.п.)

Хоть для виртуальных частиц обычное соотношение между энергией и импульсом и не выполняется (и поэтому не могут быть зафиксированы классическим способом), есть все основания говорить об их существовании. Другие альтернативы (классическое непрерывное поле Фарадея-Максвелла, взаимодействие частиц на расстоянии без «посредников») наукой в данный момент считаются ложными.

piters.in

Фундаментальные взаимодействия в природе — реферат

Введение

В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизаций, и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к фундаментальным взаимодействиям.

Фундаментальные взаимодействия — это качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

Издавна человек стремился познать и понять окружающий его физический мир. Оказывается, все бесконечное разнообразие физических процессов, происходящих в нашем мире, можно объяснить существованием в природе очень малого количества фундаментальных взаимодействий. Взаимодействием их друг с другом объясняется упорядоченность расположения небесных тел во Вселенной. Именно они являются теми «стихиями», которые движут небесными телами, порождают свет и делают возможной саму жизнь .

Таким образом, все процессы и явления в природе, будь то падение яблока, взрыв сверхновой звезды, прыжок пингвина или радиоактивный распад веществ, происходят в результате этих взаимодействий.

Структура вещества этих тел стабильна благодаря связям между составляющими его частицами.

В физике механическая энергия делится на два вида — потенциальную и кинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия) . Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия — электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия.

Существует лишь четыре вида фундаментальных взаимодействий :

1) гравитационное

2) электромагнитное

3) сильное

4) слабое

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено.

Гравитационное взаимодействие - универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами , в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитация является самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий. В отличие от электромагнитного взаимодействия, при гравитационном взаимодействии возможно только притяжение, зависящее от массы частиц и расстояния между ними. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие должно описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё полностью не разработана,квант гравитационного поля не выявлен.

Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Это небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.

Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных полях.

Если пренебречь всеми релятивистскими эффектами и ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m1 и m2 дается соотношением

где r - расстояние между частицами, G - ньютоновская гравитационная постоянная, играющая роль константы гравитационного взаимодействия. Данное соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) отлична от нуля при любом конечном r и спадает к нулю очень медленно. По этой причине говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим.

Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.

Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса

Rg = 2GM / c2,

где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии черных дыр во Вселенной.

В рамках общей теории относительности впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет. Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории гравитации и квантовой механики.

Электромагнитное взаимодействие - взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд и (или) магнитный момент.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами.

Классические проявления электромагнитного взаимодействия хорошо известны, и мы не будем на них останавливаться. С точки зрения квантовой теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная частица фотон - безмассовый бозон со спином 1. Квантовое электромагнитное взаимодействие между зарядами условно изображается следующим образом:

Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

= 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.

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 r 10-13 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. Кварки формируются в три пары (три поколения дублетов), обозначаемые следующим образом:

u c t

d s b

Каждый тип кварка принято называть ароматом, так что существуют шесть кварковых ароматов. При этом u-, c-, t-кварки имеют электрический заряд 2/3|e| , а d-, s-, b-кварки - электрический заряд -1/3|e|, где e - заряд электрона. Кроме того, существуют три кварка данного аромата. Они отличаются квантовым числом, называемым цветом и принимающим три значения: желтый, синий, красный. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к данному кварку противоположный электрический заряд и так называемый антицвет: антижелтый, антисиний, антикрасный. Принимая во внимание число ароматов и цветов, мы видим, что всего существуют 36 кварков и антикварков.

freepapers.ru

Реферат Фундаментальные взаимодействия

РефератРабота добавлена на сайт bukvasha.ru: 2015-10-28

Содержание

Содержание................................................................................................ 1

Введение..................................................................................................... 2

Гравитационное взаимодействие............................................................... 4

Понятие о квантовой гравитации............................................................... 7

Слабое взаимодействие.............................................................................. 9

Электромагнитное взаимодействие......................................................... 13

Сильное взаимодействие.......................................................................... 14

Тенденции объединения взаимодействий............................................... 17

Управляемые термоядерные реакции...................................................... 19

Заключение............................................................................................... 23

Введение

Современные достижения физики высоких энергий все больше укрепляют представление, что многообразие свойств природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют составных частей.

Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов - это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы, также обладают внутренней структурой и, следовательно, не являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим примером элементарной частицы является квант света - фотон.

Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.

Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.

В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий. Мы последовательно рассмотрим основные проявления фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие

Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения.

$V(r) = -G\displaystyle{\frac{{m}_{1}{m}_{2}}{r}}$

Rg = 2GM / c2,

Понятие о квантовой гравитации

Можно ли вообще говорить о квантовых проявлениях гравитационного взаимодействия? Как принято считать, принципы квантовой механики носят универсальный характер и применимы к любому физическому объекту. В этом смысле гравитационное поле не представляет исключения. Теоретические исследования показывают, что на квантовом уровне гравитационное взаимодействие переносится элементарной частицей, называемой гравитон. Можно отметить, что гравитон является безмассовым бозоном со спином 2. Гравитационное взаимодействие между частицами, обусловленное обменом гравитоном, условно изображается следующим образом:

Частица, испускающая гравитон - частица, поглощающая гравитон

Частица испускает гравитон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает гравитон и также изменяет состояние своего движения. В результате возникает воздействие частиц друг на друга.

Как уже отмечалось, константой связи, характеризующей гравитационное взаимодействие, является ньютоновская константа G. Хорошо известно, что G - размерная величина. Очевидно, что для оценки интенсивности взаимодействия удобно иметь безразмерную константу связи. Чтобы получить такую константу, можно использовать фундаментальные постоянные: $\hbar$ (постоянная Планка) и c (скорость света) - и ввести какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи гравитационного взаимодействия будет

Gmp2/( $\hbar$ c) ~ 610-39,

что, конечно, является очень малой величиной.

Интересно отметить, что из фундаментальных постоянных G, $\hbar$ , c можно построить величины, имеющие размерность длины, времени, плотности, массы, энергии. Эти величины называются планковскими. В частности, планковская длина lPl и планковское время tPl выглядят следующим образом:

${l}_{Pl} = \displaystyle{\sqrt{\frac{\hbar G}{{c}^{3}}}} \approx 1.6*{10}^{-33}$ ${t}_{Pl} = \displaystyle{\sqrt{\frac{\hbar G}{{c}^{5}}}} \approx 1.6*{10}^{-43}$

Каждая фундаментальная физическая константа характеризует определенный круг физических явлений: G - гравитационные явления, $\hbar$ - квантовые, c - релятивистские. Поэтому если в какое-то соотношение входят одновременно G, $\hbar$ , c, то это значит, что данное соотношение описывает явление, которое одновременно является гравитационным, квантовым и релятивистским. Таким образом, существование планковских величин указывает на возможное существование соответствующих явлений в Природе.

Конечно, численные значения lPl и tPl очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это означает только то, что квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы сравнимыми с планковскими величинами.

Отличительной чертой явлений микромира является то обстоятельство, что физические величины оказываются подверженными так называемым квантовым флуктуациям. Это означает, что при многократных измерениях физической величины в определенном состоянии принципиально должны получаться различные численные значения, обусловленные неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым объектом. Вспомним, что гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с геометрией пространства-времени. Поэтому следует ожидать, что на временах порядка tPl и расстояниях порядка lPl геометрия пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно-временной геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.

Последовательная квантовая теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно малых значений lPl , tPl следует ожидать, что в любом обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной? Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв. Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его размеры могут стать сравнимыми с lPl , где классическая теория уже неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был сравним с tPl и она имела размеры порядка lPl. Это означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с привлечением квантовой теории гравитации.

Слабое взаимодействие

Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Вспомним, 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- + aneutrino e,

где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, aneutrino 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 $\Delta$ на протон p и отрицательно заряженный пион ${\pi}^{-}$ . 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. 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: $\alpha$ -, $\beta$ - и $\gamma$ -радиоактивных распадов. При этом $\alpha$ -распад обусловлен сильным взаимодействием, $\gamma$ -распад - электромагнитным. Оставшийся $\beta$ -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 $\beta$ -радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

Несохранение четности в слабых взаимодействиях выглядело настолько необычным свойством, что практически сразу после его открытия теоретики предприняли попытки показать, что на самом деле существует полная симметрия между левым и правым, только она имеет более глубокий смысл, чем это ранее считалось. Зеркальное отражение должно сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C ), и тогда все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы ${\pi}^{+}$ , ${\pi}^{-}$ , запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP-неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.

Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий - теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые ${W}^{\pm}$ - и Z0-бозоны. Это заряженные ${W}^{\pm}$ и нейтральная Z0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 mp.

Электромагнитное взаимодействие

Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2, то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами.

Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные $\hbar$ и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

α= e2/ $\hbar$ c neaeq.gif (64 bytes) 1/137.

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 = 1.610-12 эрг = 1.61019 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.

Сильное взаимодействие

$V(r) = -{g}^{2}\displaystyle{\frac{{e}^{-r/r_0}}{r}}$ ,

где величина r0 neaeq.gif (64 bytes) 10-13 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 α-радиоактивности. Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.

Кварки взаимодействуют друг с другом посредством обмена восемью глюонами, которые представляют собой безмассовые бозоны со спином 1. В процессе взаимодействия цвета кварков могут изменяться. При этом сильное взаимодействие условно изображается следующим образом:

Частица, испускающая глюон - частица, поглощающая гюон

Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав другого адрона, и меняет состояние его движения. В результате возникает взаимовоздействие адронов друг на друга.

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 ${\pi}^{-}$ составлен из кварка u и антикварка $\bar{d}$ : ${\pi}^{-}$ = u $\bar{d}$ . 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.

Тенденции объединения взаимодействий

Мы видим, что на квантовом уровне все фундаментальные взаимодействия проявляют себя одинаковым образом. Элементарная частица вещества испускает элементарную частицу - переносчик взаимодействия, которая поглощается другой элементарной частицей вещества. Это ведет к взаимовлиянию частиц вещества друг на друга.

Безразмерная константа связи сильного взаимодействия может быть построена по аналогии с постоянной тонкой структуры в виде g2/( $mhtml:file://D:\Моя%20учеба\2%20сессия\КСЕ\Фундаментальные%20взаимодействия.mht!../simages/splank.gif$ c) neaeq.gif (64 bytes) 10. Если сравнить безразмерные константы связи, то легко заметить, что самым слабым является гравитационное взаимодействие, а затем располагаются слабое, электромагнитное и сильное.

Если принять во внимание уже развитую объединенную теорию электрослабых взаимодействий, называемую сейчас стандартной, и следовать тенденции объединения, то возникает проблема построения единой теории электрослабого и сильного взаимодействий. В настоящее время созданы модели такой единой теории, получившие название модели великого объединения. Все эти модели имеют много общих моментов, в частности характерная энергия объединения оказывается порядка 1015 ГэВ, что значительно превосходит характерную энергию объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. Отсюда вытекает, что прямое экспериментальное исследование великого объединения выглядит проблематичным даже в достаточно отдаленном будущем. Для сравнения отметим, что наибольшая энергия, достижимая на современных ускорителях, не превышает 103 ГэВ. Поэтому если и будут получены какие-либо экспериментальные данные относительно великого объединения, то они могут носить только косвенный характер. В частности, модели великого объединения предсказывают распад протона и существование магнитного монополя большой массы. Экспериментальное подтверждение этих предсказаний было бы грандиозным триумфом тенденций объединения.

Общая картина разделения единого великого взаимодействия на отдельные сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядит следующим образом. При энергиях порядка 1015 ГэВ и выше существует единое взаимодействие. Когда энергия становится ниже 1015 ГэВ, сильное и электрослабое взаимодействия отделяются друг от друга и представляются как различные фундаментальные взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии ниже 102 ГэВ происходит отделение слабого и электромагнитного взаимодействий. В результате на масштабе энергий, характерных для физики макроскопических явлений, три рассматриваемых взаимодействия выглядят как не имеющие единой природы.

Заметим теперь, что энергия 1015 ГэВ отстоит не так далеко от планковской энергии

${E}_{Pl} = \displaystyle{\sqrt{\frac{\hbar {c}^{5}}{G}}} \approx {10}^{19}$

при которой становятся существенными квантовогравитационные эффекты. Поэтому теория великого объединения с необходимостью ведет к проблеме квантовой гравитации. Если далее следовать тенденции объединения, мы должны принять идею о существовании одного всеобъемлющего фундаментального взаимодействия, которое разделяется на отдельные гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное последовательно по мере понижения энергии от планковского значения до энергий, меньших 102 ГэВ.

Построение такой грандиозной объединяющей теории, по-видимому, неосуществимо в рамках системы идей, приведших к стандартной теории электрослабых взаимодействий и моделям великого объединения. Требуется привлечение новых, возможно кажущихся сумасшедшими, представлений, идей, методов. Несмотря на очень интересные подходы, развитые в последнее время, такие, как супергравитация и теория струн, проблема объединения всех фундаментальных взаимодействий остается открытой.

Управляемые термоядерные реакции

Считается, что запасов химически топлива человечеству хватит на несколько десятков лет. Ограниченны и разведанные запасы ядерного горючего. Спасти человечество от энергетического голода и стать практически неисчерпаемым источником энергии могут управляемые термоядерные реакции в плазме.

В 1 л обычной воды содержится 0,15 мл воды тяжёлой (D2O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D2O выделяется столько же энергии, сколько её образуется при сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не существует, однако его можно получить, бомбардируя нейтронами n изотоп лития:

n+7 Li ® 4He + T

Ядро атома водорода не что иное как протон p. В ядре дейтерия содержится, кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трития - два нейтрона. Дейтерий и тритий могут реагировать друг с другом десятью разными способами. Но вероятности такой реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выделяющейся энергии - в 10-15 раз. Практический интерес представляют только три из них:

D + D ® T + p + 4МэВ ;

D + D ® 3He + n + 3,3МэВ;

D + T ® 4He + n + 17,6МэВ.

Если все ядра в каком-то объёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно. Происходит термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза должна протекать медленно.

Осуществить управляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулит немалые. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях на единицу массы топлива, в миллионы раз превышает энергию химического топлива и, значит, в сотни раз дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания в атмосферу и радиоактивных отходов. Наконец, на термоядерной электростанции исключен взрыв.

Во время синтеза основная часть энергии (более 75 %) выделяется в виде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны в подходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить в электрическую энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц - протонов - преобразуется в электричество непосредственно.

В реакции синтеза ядра должны соединяться, но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются. Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющим наименьший заряд (Z. = 1), необходима энергия около 10 или 100 кэВ. Ей соответствует температура порядка 108-109 К. При таких температурах любое вещество находится в состоянии высокотемпературной плазмы.

С позиций классической физики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый - туннельный эффект. Вычислено, что температура зажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, для реакции дейтерий- тритий (DТ) равна приблизительно 4,5х107 К, а для реакций дейтерий-дейтерий (DD) - около 4х108 К. Естественно, предпочтительнее реакция DТ. Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитными волнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

Чем выше концентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому может показаться, что для осуществления термоядерных реакций лучше использовать плазму высокой плотности. Однако, если бы в 1 см3 плазмы содержалось 1019 частиц (концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней при температурах термоядерных реакций достигало бы порядка 106 атм. Такого давления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна быть разрежённой (с концентрацией около 1015 частиц в 1 см3). Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакции необходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания. Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматривать произведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DD это произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 1016 с/см3, а для реакции DТ - 1014с/см3. Следовательно, реакцию DТ реализовать легче, чем DD.

Когда начинались исследования плазмы, казалось, что осуществить управляемый синтез удастся быстро. Но со временем выяснилось, что в высокотемпературной плазме происходят сложные процессы и решающую роль играют многочисленные неустойчивости. Сегодня разрабатывается несколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерный синтез. Наиболее перспективными считаются токамаки (сокращение от «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками»). Токамак представляет собой гигантский трансформатор, первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная имеет единственный виток - вакуумную камеру в форме тора (от лат. TORUS - «выпуклость»), с плазменным шнуром внутри. Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, а ток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры. Нейтроны, образующиеся в ходе термоядерной реакции, поглощаются в бланкете - слое вещества, окружающем камеру. Выделяющееся при этом тепло можно использовать для получения электроэнергии.

Несмотря на кажущуюся простоту токамака, ни одно устройство подобного типа не дало положительного выхода энергии. Большие надежды возлагаются на проектируемый в настоящее время гигантский токамак ITER. На этой установке, если она будет сооружена к 2005 г., предполагаемая мощность выхода 1,5 • 109 Вт. Среди других проектов следует отметить два: стеллараторы и устройства инерциального удержания плазмы.

Магнитное поле сложной формы, удерживающее плазму в круговой камере токамака, противодействует собственному полю плазменного шнура, которое стремится изогнуть траекторию заряженных частиц плазмы. В стеллараторе (от лат. STELLA - Звезда») плазме позволили принять форму, какую она «хочет», и оставили только поле, сжимающее шнур. Вакуумная камера приобрела весьма причудливый вид, а множество магнитных катушек - довольно сложную форму. Эксперименты на стеллараторах идут в разных странах, но добиться нужной температуры и времени удержания плазмы пока не удалось.

Принципиально иным является метод инерциального удержания плазмы, основанный на инерции реакционной смеси, которая при мгновенном нагреве (например, лазерным импульсом) разлетается не сразу. Ампулу, где находится смесь дейтерия с тритием, облучают со всех сторон лазерными импульсами длительностью до 10-10 с и суммарной мощностью порядка 1020 Вт/см. Оболочка ампулы испаряется, расширяющиеся газы и световое давление сжимают её содержимое почти в 50 тыс. раз. Давление в смеси возрастает до 1 млн. атм, а её плотность - до 50-100 г/см3. При таких условиях начинается термоядерная реакция.

Но и на этом пути имеется ряд технологических трудностей, пока не позволяющих превратить экспериментальные лазерные установки в промышленные реакторы.

Заключение

Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы, где кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль. А также интересную и вполне заманчивую технологию получения топлива, в период топливного кризиса, который рано или поздно наступит.

bukvasha.ru

Фундаментальные взаимодействия в природе

Количество просмотров публикации Фундаментальные взаимодействия в природе - 121

Рождение элементарных частиц является результатом взаимодействия (столкновения) высокоэнергетичных частиц между собой, т. е. они появляются в результате ядерных реакций. Это свойство элементарных частиц — релятивистский эффект, обусловленный соотношением между массой частицы m, ее энергией Е и импульсом р:

Е2 =р2с2 +m2с4. (12.1)

Отсюда сразу следует известное соотношение Эйнштейна

Е0 =mс2, (12.2)

означающее, что энергия покоя тела пропорциональна его массе. Тем самым массу частиц можно выражать в энергетических единицах, что и принято в физике элементарных частиц. Важно заметить, что для стабильных или долгоживущих частиц массу определяют путем независимого измерения энергии и импульса частицы и применения формулы (12.1). Естественной единицей в атомной физике, как мы уже неоднократно подчеркивали, является 1 эВ. Несмотря на то, что это внесистемная единица, ею пользуются, поскольку она правильно

отражает масштаб атомных явлений. В физике элементарных частиц, как и в физике высоких энергий, широко распространены производные от электрон- вольта единицы — мегаэлектронвольт 1 МэВ = 106 эВ), гигаэлектронвольт 1 ГэВ = 109 эВ), терраэлектронвольт 1 ТэВ = 1012 эВ).

Рассмотрим вначале, как расположены по энергии частицы массой примерно до 1 ГэВ. На рис. 12.1 показаны расположение частиц по массам, их периоды полураспада и обозначения; стрелками изображены каналы распада частиц; для наглядности масштаб по энергии соблюден не всюду.

Как видно из рисунка, частицы расположены неравномерно. Рядом с нейтроном и протоном расположены Λ-частица массой 1115 МэВ и три сигмы, называемые сигма-минус, сигма-нуль и сигма-плюс, с почти одинаковыми массами около 1190 МэВ. Группы частиц почти одинаковой массы называются мультиплетами. Первый мультиплет — это пара (дублет) протон- нейтрон (нуклоны N), потом идут гипероны: синглет (одиночка) лямбда, потом — триплет (тройка) сигм. Частицы с меньшей, чем нейтрон и протон

массой, — триплеты пионов и К-мезонов — образуют группу мезонов. Три заряженные частицы — электрон е-, мюон μ-, таон τ- (он на рис. 12.1 не уместился, так как его масса 1784 МэВ, время жизни 3 ‣‣‣ 10-13 с) и три нейтральных нейтрино — электронное νe, мюонное νμ и таонное ντ — образуют группу лептонов. В ядерных реакциях нейтрино различных сортов участвуют только в паре с соответствующими лептонами. Так, нейтрино от распада при взаимодействии с веществом рождают лишь от π+ -мезона

(π+ —> μ+νμ отрицательные мюоны (νμ + N—>μ- + ...) и не могут рождать лептоны μ+ е±, τ±. Этот факт нашел свое отражение в выводе о существовании трех лептонных зарядов (см. ниже). Вне рассмотренной систематики остался пока только фотон — квант электромагнитного поля.

Рис. 12.1

Элементарных частиц насчитывается очень много, однако по величине взаимодействия их можно разделить на четыре класса. Характеризующие эти классы взаимодействия называются сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным.

Термин ʼʼсильноеʼʼ или ʼʼслабоеʼʼ взаимодействие является эмоциональным выражением скорости наблюдаемых процессов, поскольку физик измеряет в эксперименте скорость реакции — абсолютную скорость и скорость относительно других реакций. Скорости, наблюдаемые при сильных и слабых взаимодействиях, настолько резко отличаются друг от друга, что вполне однозначно выделяются эти два класса реакций между частицами. Сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов

и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в базе стабильности вещества в земных условиях. Сильные взаимодействия проявляются и в высокоэнергетических столкновениях. Частицы, обладающие сильным взаимодействием, получили название адронов (h). Это самая многочисленная группа субъядерных частиц, она состоит из барионов (адронов с полуцелым спином) и мезонов (адронов с целым спином).

Рассмотрим типичный пример сильного взаимодействия, когда в процессе столкновения протона и π-мезона образуются Λ-частица и K-мезон

р + π- —> Λ° + К0. 10-23 с

Время взаимодействия быстрого (релятивистского) протона с π-мезоном составляет

10-23 с. Сравним данный временной масштаб с таковым для слабых взаимодействий. Рожденная в высокоэнергетическом столкновении Λ-частица распадается на две дочерние

(Λ° —>> р + π-) 3 ‣‣‣ 10-10 с

в среднем за 3 ‣‣‣ 10-10 с. Как мы увидим в дальнейшем, такой распад обусловлен слабым взаимодействием, и на этом примере видно, что интенсивность слабых взаимодействий составляет примерно 10-14 от интенсивности сильных. Иллюстрацией малой нтенсивности слабых взаимодействий может служить и тот факт, что нейтрино, обладающие только слабым взаимодействием, беспрепятственно пронизывают, к примеру, толщу как Земли, так и Солнца.

Для количественной оценки интенсивности различных взаимодействий между частицами вводится силовая константа g2, пропорциональная вероятности идущих в результате этих взаимодействий процессов и равная отношению энергии взаимодействия на элементарной длине к характерной энергии.

В случае электромагнитного взаимодействия таковыми являются энергия

взаимодействия электронов на комптоновской длине волны е2/(4πε0 ћ/mс) и

энергия покоя электрона mс2:

Величина е2/(4πε0 ћс) встречалась нам уже неоднократно. Это так называемая постоянная тонкой структуры, она определяется отношением квадрата заряда частицы к ћс. Чтобы найти константу взаимодействия в других случаях, введем формально ядерный заряд qяд, слабый заряд qCJI и гравитационный qгp и аналогично кулоновскому взаимодействию запишем потенциалы этих взаимодействий в виде q2/r, опустив множитель 4πε0 (так записывается кулоновское взаимодействие в системе СГСМ).

Гравитационный заряд легко найти из сравнения ʼʼэлектромагнитногоʼʼ взаимодействия

гравитационных зарядов двух протонов и их гравитационного взаимодействия:

(12.4)

где γ = 6,67 ‣‣‣ 10-8 см3/(г ‣‣‣ с2) — гравитационная постоянная. Отсюда q2рr = γmp2 и получаем

В случае сильного (ядерного) взаимодействия ядерный заряд можно оценить из средней энергии связи на нуклон в ядре Есв ~ 10 МэВ и радиуса ядра Rяд ~ 10~12 см:

(12.6)

Итак, мы получаем для константы сильного взаимодействия величину

Выше приводились данные, свидетельствующие о том, что интенсивность слабого взаимодействия составляет 10-14 сильного. Так как интенсивности

(вероятности) процессов пропорциональны силовым константам, то отсюда

сразу можно получить следующее соотношение для слабого заряда

В силу полученной для сильного взаимодействия оценки (12.7) окончательно имеем

(12.9)

Итак, хорошо известное электромагнитное взаимодействие по интенсивности лишь в 137 раз меньше сильного. Гравитационное взаимодействие в данном ряду стоит на последнем месте. Оно почти в 1038 раз слабее сильного, но им обладают все элементарные частицы. Конечно, во взаимодействиях между элементарными частицами оно никогда не учитывается, но взаимодействие частиц с макроскопическими телами — экспериментально установленный эффект. Так, к примеру, искривление траектории пучка медленных нейтронов в поле земного тяготения неоднократно наблюдалось непосредственно.

Ясно, что в тех обстоятельствах, когда возможны и сильные, и слабые взаимодействия, преобладание сильных — подавляющее. Слабые процессы обнаруживают себя только там, где законы сохранения запрещают осуществление сильных взаимодействий. По этой причине слабым взаимодействиям раньше отводилась роль мусорщика, выметающего осколки после высокоэнергетических столкновений, отданных на откуп сильным взаимодействиям.

Задача слабых взаимодействий — удалять нестабильные продукты путем распадов. При этом именно в этих ʼʼскучныхʼʼ продуктах были обнаружены нарушения фундаментальных физических законов — законов сохранения пространственной и комбинированной четностей. О нарушении зеркальной симметрии при /3-распаде мы уже говорили раньше.

Обсуждая ядерное взаимодействие, цементирующее нуклоны в ядре, мы

подчеркивали, что в квантовой теории поля взаимодействие частиц воспринимается как рождение или поглощение одной свободной частицей других

(виртуальных) частиц, иначе говоря, каждая частица окружена облаком

виртуальных частиц. С точки зрения классической физики это невозможно,

но в квантовой механике в соответствии с соотношением неопределенностей

частица может испустить виртуальную на короткое время

∆t ~ h/∆E,

где ∆Е — неопределенность в энергии, примерно равная энергии покоя виртуальной частицы mс2. В случае если считать скорость движения виртуальной частицы равной скорости света с, то радиус действия возникающих таким образом обменных сил должен быть порядка ћ/mc, т. е. порядка комптоновской длины волны виртуальной частицы.

Переносчиком сильного взаимодействия является тг-мезон, сильно взаимодействующая частица наименьшей массы, и радиус действия ядерных сил составляет примерно 10-13 см. Эксперименты показывают, что радиус действия слабого взаимодействия ~ 10 см, т. е. масса ответственных за него виртуальных частиц должна быть ~ 100 ГэВ. Как следовало из теории, у слабого взаимодействия должно существовать три переносчика: нейтральный Z0- и заряженные W+ и W - "-промежуточные бозоны. В 1983 ᴦ. эти частицы были зарегистрированы в экспериментах на встречных пучках, т. е. на пучках ускоренных частиц, направленных навстречу друг другу. То, что переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, мы уже неоднократно обсуждали. Переносчиком гравитационного взаимодействия, согласно существующим воззрениям, является гравитон, частица с нулевой массой, однако экспериментально он до сих пор не обнаружен.

referatwork.ru

Реферат Фундаментальные взаимодействия. Реферат фундаментальные взаимодействия в природе

Рефераты | Piters.in

Фундаментальные взаимодействия в природе — реферат

Реферат Фундаментальные взаимодействия

Содержание

Введение

Гравитационное взаимодействие

Понятие о квантовой гравитации

Слабое взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие

Сильное взаимодействие

Тенденции объединения взаимодействий

Управляемые термоядерные реакции

Заключение

Фундаментальные взаимодействия в природе

Смотрите также