MINISTÈRE DE L'ÉDUCATION ET DES SCIENCES DE RUSSIE
Budget de l'État fédéral établissement d'enseignement
plus haut enseignement professionnel
"État de Saint-Pétersbourg Université électrotechnique"LETI" du nom. V. I. Oulianova (Lénine)"
(SPbGETU)
Faculté d'économie et de gestion
Département de physique
Dans la discipline "Concepts" sciences naturelles modernes"
sur le sujet " Faible interaction"
À carreaux:
Altmark Alexandre Moïseïevitch
Complété:
étudiant gr. 3603
Kolisetskaïa Maria Vladimirovna
Saint-Pétersbourg
1. L’interaction faible est l’une des quatre interactions fondamentales
Histoire de l'étude
Rôle dans la nature
La force faible est l'une des quatre forces fondamentales
La force faible, ou force nucléaire faible, est l'une des quatre fondamentaux interaction
L'interaction faible est à courte portée - elle se manifeste à des distances nettement inférieures à noyau atomique
Les bosons vectoriels sont porteurs de l'interaction faible
Pour la première fois, des interactions faibles ont été observées lors de la désintégration des noyaux atomiques. Et il s'est avéré que ces désintégrations sont associées à la transformation d'un proton en neutron dans le noyau et vice versa :
r? n + e+ + ?e, n ? p + e- + e,
où n est un neutron, p est un proton, e- est un électron, ??e est un antineutrino électronique.
Les particules élémentaires sont généralement divisées en trois groupes :
) photons ; ce groupe est constitué d'une seule particule - photon - quantique rayonnement électromagnétique;
) leptons (du grec « leptos » - lumière), participant uniquement aux interactions électromagnétiques et faibles. Les leptons comprennent le neutrino électronique et muonique, l'électron, le muon et le lepton lourd découverts en 1975 - le lepton t, ou taon, d'une masse d'environ 3487 me, ainsi que leurs antiparticules correspondantes. Le nom de leptons est dû au fait que les masses des premiers leptons connus étaient plus petites que celles de toutes les autres particules. Les leptons incluent également le neutrino secret, dont l'existence dans dernièrementégalement installé ;
) hadrons (du grec « adros » - grand, fort). Les hadrons ont des interactions fortes ainsi que des interactions électromagnétiques et faibles. Parmi les particules évoquées ci-dessus, celles-ci comprennent le proton, le neutron, les pions et les kaons.
Propriétés de l'interaction faible
L’interaction faible a des propriétés distinctives :
Tous les fermions fondamentaux participent à une interaction faible
L'opération P change le signe de tout vecteur polaire
L’opération d’inversion spatiale transforme le système en un système symétrique miroir. Symétrie miroir observé dans des processus sous l’influence d’interactions fortes et électromagnétiques. La symétrie miroir dans ces processus signifie que dans les états symétriques, les transitions sont réalisées avec la même probabilité.
G. ? Yang Zhenning et Li Zongdao ont reçu le prix Nobel de physique. Pour ses études approfondies sur les lois dites de parité, qui ont conduit à d'importantes découvertes dans le domaine des particules élémentaires.
En plus de la parité spatiale, l'interaction faible ne préserve pas non plus la parité combinée des charges d'espace, c'est-à-dire que la seule interaction connue viole le principe d'invariance de CP.
La symétrie de charge signifie que s'il existe un processus impliquant des particules, alors lorsqu'elles sont remplacées par des antiparticules (conjugaison de charges), le processus existe également et se produit avec la même probabilité. La symétrie de charge est absente dans les processus impliquant des neutrinos et des antineutrinos. Dans la nature, il n’existe que des neutrinos gauchers et des antineutrinos droitiers. Si chacune de ces particules (pour plus de précision, nous considérons le neutrino électronique et l'antineutrino e) est soumise à l'opération de conjugaison de charges, alors elles se transformeront en objets inexistants avec des nombres de leptons et des hélicités.
Ainsi, dans les interactions faibles, les invariances P et C sont violées simultanément. Mais que se passe-t-il si deux opérations consécutives sont effectuées sur un neutrino (antineutrino) ? Transformations P et C (l'ordre des opérations n'a pas d'importance), nous obtenons alors à nouveau des neutrinos qui existent dans la nature. Séquence d'opérations et (ou dans ordre inverse) est appelée la transformation CP. Le résultat de la transformation CP (inversion combinée) de ?e et e est le suivant :
Ainsi, pour les neutrinos et les antineutrinos, l'opération qui transforme une particule en antiparticule n'est pas une opération de conjugaison de charges, mais une transformation CP.
Histoire de l'étude
L’étude des interactions faibles s’est poursuivie longue période.
En 1896, Becquerel découvre que les sels d'uranium émettent un rayonnement pénétrant (désintégration gamma du thorium). Ce fut le début de l’étude des interactions faibles.
En 1930, Pauli a émis l'hypothèse que lors de la désintégration ?, avec les électrons (e), des particules légères neutres sont émises ? neutrinos (?). La même année, Fermi propose une théorie quantique des champs de désintégration β. La désintégration d'un neutron (n) est une conséquence de l'interaction de deux courants : le courant hadronique convertit un neutron en proton (p), le courant leptonique produit un couple électron + neutrino. En 1956, Reines observa pour la première fois la réaction de euh ? ne+ dans des expériences à proximité d'un réacteur nucléaire.
Lee et Yang ont expliqué le paradoxe des désintégrations des mésons K+ (? ~ ? mystère) ? se désintègre en 2 et 3 pions. Elle est associée à la non-conservation de la parité spatiale. L'asymétrie miroir a été découverte dans la désintégration β des noyaux, les désintégrations des muons, des pions, des mésons K et des hypérons.
En 1957, Gell-Mann, Feynman, Marshak et Sudarshan proposèrent théorie universelle interaction faible, basée sur la structure en quarks des hadrons. Cette théorie, appelée Théories VA, a conduit à la description de l'interaction faible à l'aide de diagrammes de Feynman. Dans le même temps, des phénomènes fondamentalement nouveaux ont été découverts : violation de l'invariance CP et des courants neutres.
Dans les années 1960 par Sheldon Lee Glashow
En 1991-2001, une étude des désintégrations des bosons Z0 a été réalisée à l'accélérateur LEP2 (CERN), qui a montré que dans la nature il n'existe que trois générations de leptons : ?e, ?? Et??.
Rôle dans la nature
l'interaction nucléaire est faible
Le processus le plus courant provoqué par une interaction faible est la désintégration b des noyaux atomiques radioactifs. Phénomène de radioactivité<#"justify">Liste de la littérature utilisée
1. Novozhilov Yu.V. Introduction à la théorie des particules élémentaires. M. : Nauka, 1972
Okun B. Faible interaction des particules élémentaires. M. : Fizmatgiz, 1963
Le diagramme de Feynman de la désintégration bêta d'un neutron en un proton, un électron et un antineutrino électronique via le boson W intermédiaire est l'une des quatre interactions physiques fondamentales entre les particules élémentaires, avec les interactions gravitationnelles, électromagnétiques et fortes. Sa manifestation la plus célèbre est la désintégration bêta et la radioactivité qui lui est associée. Interaction nommée faible, puisque l'intensité du champ qui lui correspond est 10 13 inférieure à celle des champs réunis particules nucléaires(nucléons et quarks) et 10 10 de moins que la force coulombienne à ces échelles, mais bien plus forte que la force gravitationnelle. L'interaction a une courte portée et n'apparaît qu'à des distances de l'ordre de la taille du noyau atomique.La première théorie de l'interaction faible a été proposée par Enrico Fermi en 1930. Lors de l'élaboration de cette théorie, il a utilisé l'hypothèse de Wolfgang Pauli sur l'existence d'une nouvelle particule élémentaire, le neutrino, à cette époque.
L'interaction faible décrit les processus de la physique nucléaire et des particules qui se produisent relativement lentement, contrairement aux processus rapides provoqués par l'interaction forte. Par exemple, la demi-vie d’un neutron est d’environ 16 minutes. – Éternité par rapport aux processus nucléaires, caractérisés par un temps de 10 -23 s.
A titre de comparaison, des pions chargés ? ± se désintègre par interaction faible et a une durée de vie de 2,6033 ± 0,0005 x 10 -8 s, alors que le pion neutre ? 0 se désintègre en deux rayons gamma par interaction électromagnétique et a une durée de vie de 8,4 ± 0,6 x 10 -17 s.
Une autre caractéristique de l’interaction est le libre parcours des particules dans une substance. Les particules qui interagissent par interaction électromagnétique - particules chargées, quanta gamma - peuvent être retenues par une plaque de fer de plusieurs dizaines de centimètres d'épaisseur. Alors qu’un neutrino, qui n’interagit que faiblement, traverse une couche de métal d’un milliard de kilomètres d’épaisseur sans jamais entrer en collision.
L'interaction faible implique des quarks et des leptons, dont des neutrinos. Dans ce cas, l'arôme des particules change, c'est-à-dire leur type. Par exemple, à la suite de la désintégration d’un neutron, l’un de ses quarks d se transforme en quark u. Les neutrinos sont uniques en ce sens qu’ils interagissent avec d’autres particules uniquement par le biais d’interactions gravitationnelles faibles, voire plus faibles.
Par idées modernes, formulé dans Modèle standard, la force faible est portée par les bosons de jauge W et Z, découverts dans les accélérateurs en 1982. Leurs masses sont 80 et 90 fois supérieures à la masse d'un proton. L'échange de bosons W virtuels est appelé courant chargé, l'échange de bosons Z est appelé courant neutre.
Pics des diagrammes de Feynman décrivant processus possibles avec la participation calibrage W-i Les bosons Z peuvent être divisés en trois types :
Un lepton peut viprominer ou absorber un boson W et se transformer en neutrino ;
un quark peut viprominer ou absorber un boson W et changer de saveur, devenant une superposition d'autres quarks ;
un lepton ou un quark peut absorber ou viprominer un boson Z
La capacité d’une particule à interagir faiblement est décrite par un nombre quantique appelé isospin faible. Valeurs possibles isospin pour les particules capables d'échanger les bosons W et Z ± 1/2. Ce sont ces particules qui interagissent par interaction faible. Les particules à isospin faible nul, pour lesquelles les processus d'échange des bosons W et Z sont impossibles, n'interagissent pas par mutualisme faible. L'isospin faible est conservé dans les réactions entre particules élémentaires. Cela signifie que l'isospin faible total de toutes les particules participant à la réaction reste inchangé, bien que les types de particules puissent changer.
Une caractéristique de l'interaction faible est qu'elle viole la parité, puisque seuls les fermions à chiralité gauche et les antiparticules de fermions à chiralité droite ont la capacité d'interagir faiblement à travers des courants chargés. La non-conservation de la parité dans les interactions faibles a été découverte par Yang Zhenning et Li Zhengdao, pour laquelle ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1957. La raison de la non-conservation de la parité apparaît dans la rupture spontanée de la symétrie. Dans le Modèle Standard, la brisure de symétrie correspond à une particule hypothétique, le boson de Higgs. C'est la seule particule du modèle ordinaire qui n'a pas encore été découverte expérimentalement.
Avec une interaction faible, la symétrie CP est également brisée. Cette violation a été découverte expérimentalement en 1964 lors d'expériences avec le kaon. Les auteurs de la découverte, James Cronin et Val Fitch, ont été récompensés Prix Nobel pour 1980. La non-conservation de la symétrie CP se produit beaucoup moins fréquemment que la violation de la parité. Cela signifie également que, puisque la conservation de la symétrie CPT repose sur le principe fondamental principes physiques– Lorentz et transformations à courte portée, possibilité de briser la symétrie en T, c'est-à-dire non-invariance processus physiques en changeant le sens du temps.
En 1969, une théorie unifiée de l'interaction électromagnétique et nucléaire faible a été construite, selon laquelle à des énergies de 100 GeV, ce qui correspond à une température de 10 15 K, la différence entre les processus électromagnétiques et faibles disparaît. La vérification expérimentale de la théorie unifiée de l’interaction nucléaire électrofaible et forte nécessite une augmentation de cent milliards de fois de l’énergie de l’accélérateur.
La théorie de l'interaction électrofaible est basée sur le groupe de symétrie SU(2).
Malgré sa petite taille et sa courte durée, l’interaction faible joue un rôle très important dans la nature. S'il était possible de « désactiver » l'interaction faible, alors le Soleil s'éteindrait, puisque le processus de conversion d'un proton en neutron, en positron et en neutrino, à la suite duquel 4 protons se transforment en 4 He, deux positons et deux neutrinos, deviendrait impossible. Ce processus constitue la principale source d'énergie du Soleil et de la plupart des étoiles (voir Cycle de l'hydrogène). Les processus d'interaction faibles sont importants pour l'évolution des étoiles car ils provoquent la perte de l'énergie des étoiles très chaudes lors des explosions de supernova avec formation de pulsars, etc. S’il n’y avait pas d’interaction faible dans la nature, les muons, mésons pi et autres particules seraient stables et répandus dans la matière ordinaire. Donc rôle important l'interaction faible est liée au fait qu'elle n'obéit pas à un certain nombre d'interdictions caractéristiques des interactions fortes et électromagnétiques. En particulier, l'interaction faible transforme les leptons chargés en neutrinos et les quarks d'une saveur en quarks d'une autre.
En 1896, le scientifique français Henri Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium. Il s’agissait du premier signal expérimental sur des forces de la nature jusqu’alors inconnues – une interaction faible. Nous savons maintenant que la force faible est à l'origine de nombreux phénomènes familiers - par exemple, elle participe à certains phénomènes. réactions thermonucléaires, supportant le rayonnement du Soleil et d’autres étoiles.
Le nom « faible » a été donné à cette interaction en raison d'un malentendu : par exemple, pour un proton, il est 1033 fois plus fort. interaction gravitationnelle(voir La gravité, cette unité de la nature). Il s’agit plutôt d’une interaction destructrice, la seule force de la nature qui ne maintient pas la substance ensemble, mais la détruit seulement. On pourrait aussi la qualifier de « sans principes », car dans la destruction elle ne prend pas en compte les principes de parité spatiale et de réversibilité temporelle, qui sont observés par d’autres forces.
Les propriétés fondamentales de l'interaction faible ont été connues dans les années 1930, principalement grâce aux travaux du physicien italien E. Fermi. Il s’est avéré que, contrairement aux forces gravitationnelles et électriques, les forces faibles ont un rayon d’action très court. Au cours de ces années, il semblait qu'il n'y avait aucun rayon d'action - l'interaction avait lieu en un point de l'espace et, de plus, instantanément. Cette interaction est virtuelle (sur peu de temps) convertit chaque proton du noyau en neutron, un positron en positron et neutrino, et chaque neutron en proton, électron et antineutrino. Dans les noyaux stables (voir Noyau atomique), ces transformations restent virtuelles, comme la création virtuelle de paires électron-positon ou de paires proton-antiproton dans le vide.
Si la différence entre les masses des noyaux qui diffèrent d'un en charge est suffisamment grande, ces transformations virtuelles deviennent réelles, et le noyau change de charge de 1, émettant un électron et un antineutrino (désintégration électronique) ou un positron et un neutrino ( désintégration des positrons). Les neutrons ont une masse qui dépasse d'environ 1 MeV la somme des masses d'un proton et d'un électron. Ainsi, un neutron libre se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino, libérant ainsi une énergie d’environ 1 MeV. Durée de vie neutron libre environ 10 minutes, bien que état lié, par exemple, dans le deuton, constitué d'un neutron et d'un proton, ces particules vivent indéfiniment.
Un événement similaire se produit avec le muon (voir Peptons) : il se désintègre en électron, neutrino et antineutrino. Avant de se désintégrer, un muon vit environ c, bien moins qu'un neutron. La théorie de Fermi expliquait cela par la différence de masse des particules impliquées. Plus il y a d’énergie libérée pendant la désintégration, plus elle va vite. La libération d'énergie lors de la désintégration est d'environ 100 MeV, soit environ 100 fois plus grande que lors de la désintégration d'un neutron. La durée de vie d'une particule est inversement proportionnelle à la puissance cinquième de cette énergie.
Comme il s’est avéré au cours des dernières décennies, l’interaction faible n’est pas locale, c’est-à-dire qu’elle ne se produit pas instantanément ni à un moment donné. Selon la théorie moderne, l'interaction faible ne se transmet pas instantanément, mais une paire virtuelle électron-antineutrino naît après la transformation du muon en neutrino, et cela se produit à une distance de quelques centimètres. Aucune règle, aucun microscope ne le peut. , bien sûr, mesurer une si petite distance, tout comme aucun chronomètre ne peut mesurer un si petit intervalle de temps. Comme c'est presque toujours le cas, dans physique moderne il faut se contenter de données indirectes. Les physiciens élaborent diverses hypothèses sur le mécanisme du processus et testent toutes sortes de conséquences de ces hypothèses. Les hypothèses qui contredisent au moins une expérience fiable sont rejetées et de nouvelles expériences sont réalisées pour tester les autres. Ce processus, dans le cas de l'interaction faible, s'est poursuivi pendant environ 40 ans, jusqu'à ce que les physiciens soient convaincus que l'interaction faible était portée par des particules supermassives - 100 fois plus lourdes que le proton. Ces particules ont un spin de 1 et sont appelées bosons vecteurs (découverts en 1983 au CERN, Suisse - France).
Il existe deux bosons vecteurs chargés et un neutre (l'icône en haut, comme d'habitude, indique la charge en unités de protons). Un boson vecteur chargé « travaille » dans les désintégrations du neutron et du muon. Le déroulement de la désintégration du muon est illustré sur la Fig. (en haut, à droite). De tels dessins sont appelés diagrammes de Feynman ; ils illustrent non seulement le processus, mais aident également à le calculer. C'est une sorte de raccourci pour la formule de la probabilité d'une réaction ; il est utilisé ici uniquement à des fins d’illustration.
Le muon se transforme en neutrino, émettant un boson -, qui se désintègre en électron et en antineutrino. L'énergie libérée n'est pas suffisante pour la naissance réelle d'un boson -, il naît donc virtuellement, c'est-à-dire pour une durée très courte. DANS dans ce cas c'est l'art. Pendant ce temps, le champ correspondant au boson - n'a pas le temps de former une onde, ou au contraire, une véritable particule (voir Champs et particules). Un caillot de champ de cm se forme, et après c, un électron et un antineutrino en naissent.
Pour la désintégration d'un neutron, il serait possible de tracer le même diagramme, mais ici cela nous induirait déjà en erreur. Le fait est que la taille d'un neutron est de cm, soit 1000 fois supérieur au rayon actions de forces faibles. Ces forces agissent donc à l’intérieur du neutron, là où se trouvent les quarks. L'un des trois quarks à neutrons émet un boson -, se transformant en un autre quark. Charges des quarks dans un neutron : -1/3, - 1/3 et donc un des deux quarks avec charge négative-1/3 va dans un quark avec charge positive. Le résultat sera des quarks avec des charges - 1/3, 2/3, 2/3, qui constituent ensemble un proton. Les produits de réaction - électron et antineutrino - s'échappent librement du proton. Mais c’est un quark qui a émis un boson -. a reçu le pot-de-vin et a commencé à emménager direction opposée. Pourquoi ne s'envole-t-il pas ?
Il est tenu par une forte interaction. Cette interaction entraînera le quark avec ses deux compagnons inséparables, ce qui donnera lieu à un proton en mouvement. Par schéma similaire de faibles désintégrations (associées à de faibles interactions) des hadrons restants se produisent. Ils se résument tous à l'émission d'un boson vecteur par l'un des quarks, à la transition de ce boson vecteur en leptons (, et -particules) et à la poursuite de l'expansion des produits de réaction.
Parfois, cependant, des désintégrations hadroniques se produisent également : un boson vecteur peut se désintégrer en une paire quark-antiquark, qui se transformera en mésons.
Donc, grand nombre de diverses réactions se résume à l'interaction des quarks et des leptons avec les bosons vecteurs. Cette interaction est universelle, c’est-à-dire qu’elle est la même pour les quarks et les leptons. L’universalité de l’interaction faible, contrairement à l’universalité de l’interaction gravitationnelle ou électromagnétique, n’a pas encore reçu d’explication complète. Dans les théories modernes, l'interaction faible est combinée avec l'interaction électromagnétique (voir Unité des forces de la nature).
Sur la rupture de symétrie par l'interaction faible, voir Parité, Neutrinos. L'article L'Unité des Forces de la Nature parle de la place des forces faibles dans l'image du micromonde
FAIBLE INTERACTION- l'une des quatre fondations connues. interaction entre . S.v. Beaucoup plus faible que fort et el-magnétique. interactions, mais beaucoup plus fortes que les interactions gravitationnelles. Dans les années 80 Il a été établi que faible et el-magn. interactions - diff. manifestations d'un seul interaction électrofaible.
L’intensité des interactions peut être jugée par la rapidité des processus qu’elles provoquent. Habituellement, les vitesses des processus sont comparées les unes aux autres à des énergies de GeV, caractéristiques de la physique des particules élémentaires. À de telles énergies, le processus provoqué par la forte interaction se produit en un temps s, el-magn. processus dans le temps, temps caractéristique des processus se produisant du fait de l’énergie solaire. ( processus faibles), bien plus encore : c, de sorte que dans le monde des particules élémentaires, les processus faibles se déroulent extrêmement lentement.
Une autre caractéristique de l’interaction concerne les particules dans la matière. Les particules en interaction forte (hadrons) peuvent être retenues par une plaque de fer de plusieurs épaisseurs. dizaines de centimètres, alors qu'un neutrino, qui ne possède qu'une forte vitesse, traverserait, sans subir une seule collision, une plaque de fer d'une épaisseur d'environ un milliard de kilomètres. La gravité est encore plus faible. interaction dont la force à une énergie de ~1 GeV est 10 33 fois inférieure à celle de S. v. Cependant, le rôle de la gravité est généralement joué. les interactions sont beaucoup plus visibles que le rôle du S. siècle. Cela est dû au fait que la gravitation l'interaction, comme l'interaction électromagnétique, a un champ d'action infiniment large ; ainsi, par exemple, les forces gravitationnelles agissent sur les corps situés à la surface de la Terre. l'attraction de tous les atomes qui composent la Terre. L'interaction faible a un rayon d'action très court : env. 2*10 -16 cm (soit trois ordres de grandeur inférieur au rayon forte interaction). En conséquence, par exemple, S. v. entre les noyaux de deux atomes voisins situés à une distance de 10 à 8 cm est négligeable, incomparablement plus faible non seulement celui électromagnétique, mais aussi celui gravitationnel. interactions entre eux.
Cependant, malgré la petite taille et l'action courte, S. siècle. joue un rôle très important dans la nature. Ainsi, s'il était possible de « désactiver » l'énergie solaire, le Soleil s'éteindrait, car le processus de conversion d'un proton en neutron, positron et neutrino serait impossible, ce qui entraînerait la transformation de quatre protons en 4. Lui, deux positons et deux neutrinos. Ce processus constitue le principal source d'énergie du Soleil et de la plupart des étoiles (voir Cycle de l'hydrogène). Processus du S. siècle. avec l'émission de neutrinos sont généralement extrêmement importants dans évolution des étoiles, car ils provoquent une perte d'énergie des étoiles très chaudes lors des explosions supernovas avec la formation de pulsars, etc. S'il n'y avait pas d'énergie solaire, les muons, les mésons et les particules étranges et charmées, qui se désintègrent sous l'effet de l'énergie solaire, seraient stables et répandus dans la matière ordinaire. Un rôle aussi important de SE est dû au fait qu'il n'est pas soumis à un certain nombre d'interdictions caractéristiques d'un pouvoir fort et magnétique. interactions. En particulier, S. c. transforme les leptons chargés en neutrinos et un type (saveur) en quarks d'autres types.
L'intensité des processus faibles augmente rapidement avec l'augmentation de l'énergie. Donc, désintégration bêta des neutrons, la libération d'énergie dans Krom est faible (~ 1 MeV), dure env. 10 3 s, soit 10 13 fois supérieure à la durée de vie d'un hypéron, l'énergie libérée lors de sa désintégration est d'environ 100 MeV. La section efficace d'interaction avec les nucléons pour les neutrinos d'une énergie d'environ 100 GeV est d'env. un million de fois plus que pour les neutrinos d'énergie ~1 MeV. Selon la théorie concepts, la croissance de la section efficace se poursuivra jusqu'à des énergies de l'ordre de plusieurs. des centaines de GeV (dans le système du centre d'inertie des particules en collision). A ces énergies et à de grands transferts de quantité de mouvement, les effets associés à l'existence de bosons vecteurs intermédiaires. À des distances entre les particules en collision bien inférieures à 2*10 -16 cm (longueur d'onde Compton bosons intermédiaires), S.v. et el-magn. les interactions ont presque la même intensité.
Naïb. un processus commun provoqué par S. siècle - désintégration bêta noyaux atomiques radioactifs. En 1934, E. Fermi élabore une théorie de la décomposition impliquant certaines créatures. les modifications ont constitué la base de la théorie ultérieure de la soi-disant. système local universel à quatre fermions. (Interactions de Fermi). Selon la théorie de Fermi, l'électron et le neutrino (plus précisément) s'échappant du noyau radioactif n'y étaient pas auparavant, mais sont apparus au moment de la désintégration. Ce phénomène est similaire à l'émission de photons de faible énergie ( lumière visible) des atomes excités ou des photons de haute énergie (quanta) des noyaux excités. La raison de ces processus est l’interaction de l’électricité. particules avec el-magn. champ : une particule chargée en mouvement crée courant électromagnétique, ce qui perturbe l'aimant électrique. champ; À la suite de l'interaction, la particule transfère de l'énergie aux quanta de ce champ - les photons. Interaction des photons avec el-magn. le courant est décrit par l'expression UN. Ici e- électrique élémentaire charge, qui est un el-magn constant. interactions (voir Constante d'interaction), A- opérateur de champ de photons (c'est-à-dire opérateur de création et d'annihilation de photons), j em - opérateur de densité el-magn. actuel (Souvent, l'expression du courant électromagnétique inclut également le multiplicateur e.) Toutes les charges contribuent à j em. particules. Par exemple, le terme correspondant à l'électron a la forme :, où est l'opérateur d'annihilation d'un électron ou de naissance d'un positon, et est l'opérateur de naissance d'un électron ou d'annihilation d'un positon. [Par souci de simplicité, il n'est pas montré ci-dessus que j em, ainsi que UN, est un vecteur à quatre dimensions. Plus précisément, vous devriez plutôt écrire un ensemble de quatre expressions où - Matrice de Dirac,= 0, 1, 2, 3. Chacune de ces expressions est multipliée par la composante correspondante du vecteur à quatre dimensions.]
L'interaction décrit non seulement l'émission et l'absorption de photons par les électrons et les positrons, mais également des processus tels que la création de paires électron-positron par les photons (voir. Naissance des couples)ou annihilation ces paires en photons. Échange de photons entre deux charges. les particules conduisent à leur interaction les unes avec les autres. En conséquence, par exemple, il se produit une diffusion d'un électron par un proton, ce qui est représenté schématiquement Diagramme de Feynman, présenté sur la fig. 1. Lorsqu'un proton dans le noyau passe d'un niveau à un autre, la même interaction peut conduire à la naissance d'une paire électron-positon (Fig. 2).
La théorie de la désintégration de Fermi est essentiellement similaire à la théorie électro-magnétique. processus. Fermi a basé sa théorie sur l’interaction de deux « courants faibles » (voir. Actuel dans la théorie quantique des champs), mais interagissant les uns avec les autres non pas à distance en échangeant une particule - un champ quantique (photon dans le cas d'une interaction électromagnétique), mais par contact. Il s’agit de l’interaction entre quatre champs de fermions (quatre fermions p, n, e et neutrino v) à l’époque moderne. la notation a la forme : 
. Ici G F- Constante de Fermi, ou constante d'interaction faible à quatre fermions, expérimentale. signification de couper 
erg*cm 3 (la valeur a la dimension du carré de la longueur, et en unités c'est une constante 
, Où M- masse de protons), - opérateur de naissance de protons (annihilation d'antiprotons), - opérateur d'annihilation de neutrons (naissance d'antineutrons), - opérateur de naissance d'électrons (annihilation de positrons), v
- opérateur de destruction des neutrinos (naissance des antineutrinos). (Ici et désormais, les opérateurs de création et d'annihilation de particules sont indiqués par les symboles des particules correspondantes, tapés en gras.) Le courant qui convertit un neutron en proton fut ensuite appelé nucléon, et le courant - lepton. Fermi a postulé cela, comme un el-magn. courant, les courants faibles sont également des vecteurs à quatre dimensions : c'est pourquoi l'interaction de Fermi est appelée. vecteur. 
Semblable à la naissance d'une paire électron-positon (Fig. 2), la désintégration d'un neutron peut être décrite par un diagramme similaire (Fig. 3) [les antiparticules sont marquées d'un symbole « tilde » au-dessus des symboles des particules correspondantes ]. L’interaction des courants de leptons et de nucléons devrait par exemple conduire à d’autres processus. à la réaction 
(Fig. 4), à la vapeur (Fig. 5) et 
etc.
Créatures La différence entre les courants faibles et les courants électromagnétiques est qu’un courant faible modifie la charge des particules, tandis qu’un courant électrique modifie la charge des particules. le courant ne change pas : un courant faible transforme un neutron en proton, un électron en neutrino, et un courant électromagnétique laisse un proton en proton et un électron en électron. Par conséquent, les tokii ev faibles sont appelés. courants chargés. Selon cette terminologie, un aimant électrique ordinaire. son courant est courant neutre.
La théorie de Fermi était basée sur les résultats de trois études différentes. domaines : 1) expérimental. recherche du S. siècle lui-même (-désintégration), qui a conduit à l'hypothèse de l'existence de neutrinos ; 2) expérimenter. les recherches sur la force forte (), qui ont conduit à la découverte des protons et des neutrons et à comprendre que les noyaux sont constitués de ces particules ; 3) expérimenter. et théorique recherche électro-magnétique interactions, à la suite desquelles les bases de la théorie quantique des champs ont été posées. Le développement ultérieur de la physique des particules élémentaires a confirmé à plusieurs reprises l'interdépendance fructueuse de la recherche sur les champs magnétiques forts, faibles et électromagnétiques. interactions.
La théorie du SV universel à quatre fermions. diffère de la théorie de Fermi sur un certain nombre de points et de manières. Ces différences, établies au cours des années suivantes grâce à l'étude des particules élémentaires, se résumaient aux éléments suivants.
L'hypothèse selon laquelle S. v. ne préserve pas la parité, a été proposée par Lee Tsung-Dao et Yang Chen Ning en 1956 avec des arguments théoriques. recherche sur la carie Mésons K ; bientôt un échec R.- et les parités C ont été découvertes expérimentalement dans la désintégration des noyaux [Bu Chien-Shiung et collaborateurs], dans la désintégration du muon [R. Garwin (R. Garwin), L. Lederman (L. Lederman), V. Telegdi (V. Telegdi), J. Friedman (J. Friedman), etc.] et dans les désintégrations d'autres particules.
Résumer une énorme expérience. matériel, M. Gell-Mann, P. Feynman, P. Marshak et E. Sudarshan ont proposé en 1957 la théorie du S. v. universel - ce qu'on appelle V- UN-théorie. Dans une formulation basée sur la structure des quarks des hadrons, cette théorie est que le courant chargé faible total j u est la somme des courants de leptons et de quarks, chacun de ces courants élémentaires contenant la même combinaison de matrices de Dirac :
Comme il s'est avéré plus tard, le chargeur. Le courant leptonique, représenté dans la théorie de Fermi par un terme, est la somme de trois termes : 
et chacune des accusations connues. leptons (électrons, muons et lepton lourd) est inclus dans le tarif. actuel avec votre neutrino.
Charge le courant hadronique, représenté par le terme dans la théorie de Fermi, est la somme des courants de quarks. En 1992, cinq types de quarks étaient connus , à partir duquel tous les hadrons connus sont construits, et l'existence d'un sixième quark est supposée ( t Avec Q =+ 2/3). Les courants de quarks chargés, ainsi que les courants de leptons, s'écrivent généralement comme la somme de trois termes : 
Cependant, voici des combinaisons linéaires d'opérateurs d, s, b, le courant chargé du quark se compose donc de neuf termes. Chacun des courants est la somme des courants vectoriels et axiaux avec des coefficients égaux à l'unité.
Les coefficients de neuf courants de quarks chargés sont généralement représentés sous la forme d'une matrice 3x3 dont les bords sont paramétrés par trois angles et un facteur de phase caractérisant la perturbation. Invariance CP dans les désintégrations faibles. Cette matrice s'appelle Kobayashi - Matrices Maskawa (M. Kobayashi, T. Maskawa).
Lagrangien S. v. les courants chargés ont la forme : 
Mangeur, conjugué, etc.). Cette interaction de courants chargés décrit quantitativement un grand nombre de processus faibles : leptoniques, semi-leptoniques ( 
etc.) et non leptoniques ( 
,, etc.). Beaucoup de ces processus ont été découverts après 1957. Au cours de cette période, deux phénomènes fondamentalement nouveaux ont également été découverts : la violation de l'invariance CP et les courants neutres. 
La violation de l'invariance de CP a été découverte en 1964 dans une expérience de J. Christenson, J. Cronin, V. Fitch et R. Turley, qui ont observé la désintégration des mésons K° à longue durée de vie en deux mésons. Plus tard, une violation de l'invariance de CP a également été observée dans les désintégrations semileptoniques. Pour clarifier la nature de l’interaction CP-non-invariante, il serait extrêmement important de trouver k-l. Processus CP non invariant dans les désintégrations ou les interactions d'autres particules. En particulier, la recherche du moment dipolaire du neutron est d'un grand intérêt (dont la présence signifierait une violation de l'invariance par rapport à renversements de temps, et donc, d'après le théorème SRT, et invariance CP).
L'existence de courants neutres a été prédite par la théorie unifiée des courants faibles et électriques. interactions créées dans les années 60. Sh. Glashow, S. Weinberg, A. Salam et d'autres ont reçu plus tard ce nom. théorie standard de l'interaction électrofaible. Selon cette théorie, S. v. n'est pas une interaction de contact de courants, mais se produit par l'échange de bosons vecteurs intermédiaires ( W + , W - , Z 0) - particules massives de spin 1. Dans ce cas, les bosons effectuent une interaction de charge. courants (Fig. 6), et Z 0-les bosons sont neutres (Fig. 7). Dans la théorie standard, trois bosons intermédiaires et un photon sont des quanta vectoriels, appelés. champs de jauge, agissant lors de transferts asymptotiquement importants de quantité de mouvement à quatre dimensions ( , mz, Où m w , m z- les messes W- et les bosons Z en énergie. unités) sont complètement égales. Les courants neutres ont été découverts en 1973 lors de l'interaction des neutrinos et des antineutrinos avec les nucléons. Plus tard, les processus de diffusion d'un neutrino muonique par un électron ont été découverts, ainsi que les effets de non-conservation de parité dans l'interaction des électrons avec des nucléons, provoqués par le courant électronique neutre (ces effets ont été observés pour la première fois dans des expériences sur la non-conservation de parité dans transitions atomiques menées à Novossibirsk par L. M. Barkov et M. S. Zolotorev, ainsi que dans des expériences sur la diffusion d'électrons sur des protons et des deutons aux États-Unis).
L'interaction des courants neutres est décrite par le terme correspondant dans le lagrangien S.V.
où est un paramètre sans dimension. Dans la théorie standard (la valeur expérimentale p coïncide avec 1 à un pour cent près de la précision expérimentale et de la précision du calcul corrections de rayonnement). Le courant neutre faible total contient les contributions de tous les leptons et de tous les quarks : 
Une propriété très importante des courants neutres est qu’ils sont diagonaux, c’est-à-dire qu’ils transfèrent les leptons (et les quarks) vers eux-mêmes, et non vers d’autres leptons (quarks), comme c’est le cas avec les courants chargés. Chacun des 12 courants neutres de quarks et de leptons est une combinaison linéaire du courant axial avec un coefficient. je 3 et courant vectoriel avec coefficient. 
, Où je 3- troisième projection de la soi-disant. faible spin isotopique, Q- la charge des particules, et - Angle de Weinberg.
La nécessité de l'existence de quatre champs vectoriels de bosons intermédiaires W + , W -, Z 0 et photons UN peut être expliqué ensuite. chemin. Comme on le sait, à el-magn. interaction électrique charger les jeux double rôle: d'une part, c'est une quantité conservée, et d'autre part, c'est une source d'el-magn. champ qui interagit entre les particules chargées (constante d'interaction e). C'est le rôle de l'électricité. la charge est fournie par une jauge, ce qui consiste dans le fait que les équations de la théorie ne changent pas lorsque les fonctions d'onde des particules chargées sont multipliées par un facteur de phase arbitraire en fonction du point espace-temps [local symétrie U(1)], et en même temps el-magn. le champ, qui est un champ de jauge, subit une transformation. Transformations des groupes locaux U(1) avec un type de charge et un champ de jauge faisant la navette entre eux (un tel groupe est appelé Abélien). La propriété spécifiée est électrique. La charge a servi de point de départ à la construction de théories et d’autres types d’interactions. Dans ces théories, les quantités conservées (par exemple le spin isotopique) sont simultanément sources de certains champs de jauge qui transfèrent les interactions entre les particules. Dans le cas de plusieurs types de « charges » (par exemple, différentes projections de spin isotopique), lorsqu’elles sont séparées. les transformations ne commutent pas entre elles (un groupe de transformations non abéliennes), il s'avère qu'il faut en introduire plusieurs. champs de jauge. (Les multiples de champs de jauge correspondant aux symétries locales non abéliennes sont appelés Champs Young-Mills.) En particulier, donc isotopique. spin [auquel le groupe local répond SU(2)] a agi comme une constante d'interaction, trois champs de jauge avec des charges 1 et 0 sont nécessaires depuis le S. siècle. des courants chargés de paires de particules sont impliqués 
etc., alors on pense que ces paires sont des doublets du groupe isospin faible, c'est-à-dire le groupe UM(2). Invariance de la théorie sous transformations de groupes locaux S.U.(2) nécessite, comme indiqué, l'existence d'un triplet de champs de jauge sans masse F+, W - , W 0, dont la source est un isospin faible (constante d'interaction g). Par analogie avec l'interaction forte, dans laquelle hypercharge Y particules incluses dans l’isotope. multiplet, déterminé par f-loy Q = je 3 + A/2(Où je 3- troisième projection de l'isospin, un Q- électrique charge), avec une faible isospin, une faible hypercharge est introduite. Puis économiser de l'électricité. charge et isospin faible correspond à la conservation de l'hypercharge faible [groupe [ U(1)]. Une hypercharge faible est source d’un champ de jauge neutre B 0(constante d'interaction g"). Deux superpositions linéaires de champs mutuellement orthogonales B° Et W° décrire le champ de photons UN et le champ du boson Z : 
Où 
. C'est l'amplitude de l'angle qui détermine la structure des courants neutres. Il définit également la relation entre la constante g, qui caractérise l'interaction des bosons avec un courant faible, et la constante e, caractérisant l'interaction d'un photon avec l'électricité. choc électrique : 
Pour que S. puisse était de nature à courte portée, les bosons intermédiaires devraient être massifs, tandis que les quanta des champs de jauge d'origine - 
- sans masse. Selon la théorie standard, l’apparition de masse dans les bosons intermédiaires se produit lorsque rupture spontanée de symétrie SU(2) X U(1)à U(1) em. De plus, une des superpositions de champs B 0 Et W 0- photons ( UN) reste sans masse, les bosons a et Z acquièrent des masses :
Expérimentons. des données sur les courants neutres ont été données 
. Les masses attendues correspondaient à cela W- et les bosons Z, respectivement, et
Pour la détection W- et les bosons Z ont été spécialement créés. installations dans lesquelles ces bosons naissent lors de collisions de faisceaux de haute énergie en collision. La première installation est entrée en service en 1981 au CERN. En 1983, des rapports sont apparus sur la détection au CERN des premiers cas de naissance d'enfants intermédiaires bosons vectoriels. Les données sur les naissances ont été publiées en 1989 W- Et Z-bosons au collisionneur proton-antiproton américain - Tevatron, au Laboratoire national des accélérateurs Fermi (FNAL). K con. années 1980 numéro complet W- et les bosons Z observés dans les collisionneurs proton-antiproton du CERN et du FNAL se comptent par centaines.
En 1989, les collisionneurs électron-positroïne LEP du CERN et SLC du Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ont commencé à fonctionner. Les travaux du LEP ont été particulièrement réussis : au début de 1991, plus d'un demi-million de cas de création et de désintégration de bosons Z ont été enregistrés. L’étude des désintégrations du boson Z a montré qu’aucun autre neutrino, à l’exception de ceux connus auparavant, n’existe dans la nature. La masse du boson Z a été mesurée avec une grande précision : t z = 91,173 0,020 GeV (la masse du boson W est connue avec une précision bien pire : m w= 80 220,26 GeV). Étudier les propriétés W- et les bosons Z ont confirmé l'exactitude de l'idée de base (de jauge) de la théorie standard de l'interaction électrofaible. Cependant, pour tester pleinement la théorie, il est également nécessaire d’étudier expérimentalement le mécanisme de rupture spontanée de symétrie. Dans la théorie standard, la source de la rupture spontanée de symétrie 
est un champ scalaire isodoublet spécial qui a un champ spécifique auto-action 
, Où - constante sans dimension, et la constante h a la dimension de la masse 
. L’énergie d’interaction minimale est atteinte à l’énergie la plus basse. state - vide - contient une valeur de champ de vide non nulle. Si ce mécanisme de rupture de symétrie se produit réellement dans la nature, alors il devrait y avoir des bosons scalaires élémentaires - ce qu'on appelle. Boson de Higgs(Quanta du champ de Higgs). Théorie standard prédit l'existence d'au moins un boson scalaire(il doit être neutre). Il existe plusieurs versions plus complexes de la théorie. de telles particules, et certaines d'entre elles sont chargées (c'est possible). Contrairement aux bosons intermédiaires, les masses des bosons de Higgs ne sont pas prédites par la théorie.
La théorie de jauge de l'interaction électrofaible est renormalisable : cela signifie notamment que les amplitudes des interactions faibles et électro-magnétiques sont renormalisables. les processus peuvent être calculés à l'aide de la théorie des perturbations, et les corrections les plus élevées sont faibles, comme dans le quantum ordinaire (voir. Renormalisabilité). (En revanche, la théorie des quatre fermions de la vitesse variable n'est pas renormalisable et n'est pas une théorie cohérente en interne.)
Il y a des théories modèles Grande Unification, dans lequel en groupe 
interaction électrofaible, et le groupe SU(3)les interactions fortes sont des sous-groupes d'un seul groupe, caractérisés par une constante d'interaction de jauge unique. Dans encore plus de fonds. modèles, ces interactions sont combinées avec des interactions gravitationnelles (dites superunion).
Lit. : Dans Ts., Moshkovsky S. A., Désintégration bêta, trans. de l'anglais, M., 1970 ; Weinberg S., Théories unifiées de l'interaction des particules élémentaires, trans. de l'anglais, UFN, 1976, vol. 118, v. 3, p. 505 ; Taylor J., Théories de jauge des interactions faibles, trans. de l'anglais, M., 1978 ; En route vers une théorie unifiée des champs. Assis. art., traductions, M., 1980 ; Okun L. B., Leptons et quarks, 2e éd., M., 1990. L.B. Okun.
Faible interaction
Une interaction forte est de courte durée. Son rayon d'action est d'environ 10-13 cm.
Les particules participant à des interactions fortes sont appelées hadrons. Dans une substance stable ordinaire, pas trop haute température une forte interaction ne provoque aucun processus. Son rôle est de créer un lien fort entre les nucléons (protons et neutrons) dans les noyaux. L'énergie de liaison est en moyenne d'environ 8 MeV par nucléon. De plus, lors de collisions de noyaux ou de nucléons avec suffisamment haute énergie(de l’ordre de centaines de MeV), une forte interaction conduit à de nombreux réactions nucléaires: fission des noyaux, transformation de certains noyaux en d'autres, etc.
A partir d'énergies de nucléons en collision de l'ordre de plusieurs centaines de MeV, une forte interaction conduit à la production de mésons P. À des énergies encore plus élevées, naissent des mésons K et des hypérons, ainsi que de nombreuses résonances de mésons et de baryons (les résonances sont des états excités de courte durée des hadrons).
Dans le même temps, il s’est avéré que toutes les particules ne subissent pas d’interactions fortes. Ainsi, les protons et les neutrons en font l’expérience, mais les électrons, les neutrinos et les photons n’y sont pas soumis. Habituellement, seules les particules lourdes participent aux interactions fortes.
L’explication théorique de la nature de l’interaction forte a été difficile à développer. Une percée n’a eu lieu qu’au début des années 1960, lorsque le modèle des quarks a été proposé. Dans cette théorie, les neutrons et les protons ne sont pas considérés comme particules élémentaires, mais en tant que systèmes composites construits à partir de quarks
Les quanta d’interaction forte sont huit gluons. Les gluons tirent leur nom de mot anglais colle (colle), car ils sont responsables du confinement des quarks. Les masses au repos des gluons sont nulles. Dans le même temps, les gluons ont une charge colorée, grâce à laquelle ils sont capables d'interagir les uns avec les autres, comme on dit, d'auto-interaction, ce qui entraîne des difficultés dans la description mathématique d'une forte interaction en raison de sa non-linéarité.
Son rayon d'action est inférieur à 10-15 cm. L'interaction faible est plusieurs ordres de grandeur plus faible non seulement que l'interaction forte, mais aussi l'interaction électromagnétique. De plus, elle est bien plus forte que la force gravitationnelle dans le microcosme.
Le premier processus découvert et le plus courant provoqué par des interactions faibles est désintégration radioactive B noyaux.
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Ce type de radioactivité a été découvert en 1896 par A.A. Becquerèlem. Au cours du processus de désintégration des électrons radioactifs /b - -/, l'un des neutrons / n/ le noyau atomique se transforme en proton / r/ avec émission d'électrons / e-/ et antineutrino électronique // :
n ® p + e-+
Au cours du processus de désintégration positronique /b + -/, la transition suivante se produit :
p® n + e++
Dans la première théorie de la désintégration b, créée en 1934 par E. Fermi, pour expliquer ce phénomène il fallait introduire l'hypothèse de l'existence type spécial forces à courte portée qui provoquent la transition
n ® p + e-+
Des recherches plus approfondies ont montré que l'interaction introduite par Fermi a un caractère universel.
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Il provoque la désintégration de toutes les particules instables dont les masses et les règles de sélection en fonction nombres quantiques ne les laissez pas se désintégrer en raison d’une interaction forte ou électromagnétique. Une faible interaction est inhérente à toutes les particules à l'exception des photons. Le temps caractéristique des processus d'interaction faible à des énergies de l'ordre de 100 MeV est de 13 à 14 ordres de grandeur plus long que le temps caractéristique d'une interaction forte.
Les quanta d'interaction faible sont trois bosons - les bosons W + , W − , Z°-. Les exposants indiquent un signe charge électrique ces quanta. Les quanta d'interaction faible ont une masse importante, ce qui conduit au fait que l'interaction faible se manifeste à de très courtes distances.
Il faut tenir compte du fait qu'aujourd'hui déjà théorie unifiée les interactions faibles et électromagnétiques se combinent. Il y a un certain nombre schémas théoriques, dans lequel on tente de créer une théorie unifiée de tous les types d'interaction. Cependant, ces systèmes ne sont pas encore suffisamment développés pour être testés expérimentalement.
26. Physique structurelle. Approche corpusculaire de la description et de l'explication de la nature. Réductionnisme
Les objets de la physique structurelle sont les éléments de la structure de la matière (par exemple, molécules, atomes, particules élémentaires) et une formation plus complexe de ceux-ci. Ce:
1) plasma - c'est un gaz dans lequel une partie importante des molécules ou des atomes sont ionisés ;
2) cristaux- Ce solides, dans lequel les atomes ou les molécules sont disposés de manière ordonnée et forment un ensemble se répétant périodiquement structure interne;
3) liquides- Ce état physique substances, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ combine les caractéristiques d'un état solide (conservation du volume, une certaine résistance à la traction) et d'un état gazeux (variabilité de forme).
Le liquide est caractérisé par :
a) ordre à courte portée dans la disposition des particules (molécules, atomes) ;
b) petite différence dans l'énergie cinétique du mouvement thermique et leur énergie potentielle interactions.
4) les étoiles,ᴛ.ᴇ. boules de gaz incandescentes (plasma).
Lors de la sélection équations structurelles les substances utilisent les critères suivants :
Dimensions spatiales : les particules de même niveau ont des dimensions spatiales du même ordre (par exemple, tous les atomes ont des dimensions de l'ordre de 10 -8 cm) ;
Temps de traitement : à un certain niveau, il s'agit à peu près du même ordre de grandeur ;
Les objets de même niveau sont constitués des mêmes éléments (par exemple, tous les noyaux sont constitués de protons et de neutrons) ;
Les lois qui expliquent les processus à un niveau sont qualitativement différentes des lois qui expliquent les processus à un autre niveau ;
Les objets à différents niveaux diffèrent par leurs propriétés de base (par exemple, tous les atomes sont électriquement neutres et tous les noyaux sont chargés électriquement positivement).
À mesure que de nouveaux niveaux de structure et d’états de la matière sont découverts, le domaine d’objet de la physique structurelle s’étend.
Il est nécessaire de prendre en compte le fait que lors de la résolution de problèmes spécifiques problèmes physiques les questions liées à l’élucidation de la structure, de l’interaction et du mouvement sont étroitement liées.
À la base de la physique des structures se trouve une approche corpusculaire pour décrire et expliquer la nature.
Pour la première fois, le concept de l'atome comme particule dernière et indivisible du corps est apparu dans la Grèce antique dans le cadre des enseignements philosophiques naturels de l'école de Leucippe-Démocrite. Selon cette vision, il n’existe dans le monde que des atomes qui se déplacent dans le vide. Les atomistes antiques considéraient la continuité de la matière comme évidente. Différentes combinaisons d'atomes forment différents corps visibles. Cette hypothèse ne reposait pas sur des données expérimentales. Ce n’était qu’une brillante supposition. Mais cela a tout déterminé pendant de nombreux siècles. développement ultérieur sciences naturelles.
L'hypothèse de l'atome particules indivisibles substances ont été réactivées dans les sciences naturelles, notamment en physique et en chimie, pour expliquer certaines lois établies expérimentalement (par exemple, les lois de Boyle-Mariotte et de Gay-Lussac pour les gaz parfaits, dilatation thermique tél, etc.). En effet, la loi de Boyle-Mariotte affirme que le volume d’un gaz est inversement proportionnel à sa pression, mais elle n’explique pas pourquoi. De même, lorsqu’un corps est chauffé, sa taille augmente. Mais quelle est la raison de cette expansion ? Dans la théorie cinétique de la matière, ces modèles et d’autres établis expérimentalement sont expliqués à l’aide d’atomes et de molécules.
En effet, la diminution directement observée et mesurable de la pression du gaz avec une augmentation de son volume dans la théorie cinétique de la matière s'explique par une augmentation du libre parcours de ses atomes et molécules constitutifs. C'est de ce fait que le volume occupé par le gaz augmente. De même, l'expansion des corps lorsqu'ils sont chauffés dans la théorie cinétique de la matière s'explique par une augmentation vitesse moyenne molécules en mouvement.
Explications dans lesquelles ils tentent de réduire les propriétés de substances ou de corps complexes aux propriétés de leurs éléments ou éléments plus simples. composants, appelé réductionnisme. Cette méthode d'analyse a permis de résoudre une large classe de problèmes en sciences naturelles.
Jusqu'à la fin du 19ème siècle. On croyait qu’un atome était la plus petite particule de matière, indivisible et sans structure. Dans le même temps, les découvertes de l’électron et de la radioactivité ont montré que ce n’était pas le cas. Se pose modèle planétaire Atome de Rutherford. Puis elle est remplacée par le mannequin N. Bora. Mais comme auparavant, les réflexions des physiciens visent à réduire toute la diversité propriétés complexes corps et phénomènes naturels pour propriétés simples un petit nombre de particules primaires. Par la suite, ces particules furent appelées élémentaire. Maintenant, ils nombre total dépasse 350. Pour cette raison, il est peu probable que toutes ces particules puissent être qualifiées de véritablement élémentaires, ne contenant pas d'autres éléments. Cette croyance est renforcée par l'hypothèse de l'existence de quarks. Selon lui, les particules élémentaires connues sont constituées de particules dotées de charges électriques fractionnaires. Ils sont appelés quarks.
Selon le type d'interaction à laquelle participent les particules élémentaires, toutes, à l'exception du photon, sont classées en deux groupes :
1) hadrons. Il faut dire qu'ils se caractérisent par la présence d'une forte interaction. De plus, ils peuvent également participer à des interactions faibles et électromagnétiques ;
2) leptons. Οʜᴎ ne participent qu'aux interactions électromagnétiques et faibles ;
Selon leur durée de vie, on les distingue :
a) particules élémentaires stables. Ce sont l’électron, le photon, le proton et le neutrino ;
b) quasi-stable. Ce sont des particules qui se désintègrent en raison d’interactions électromagnétiques et faibles. Par exemple, à + ® m ++ ;
c) instable. Οʜᴎ désintégration due à une forte interaction, par exemple, neutron.
Les charges électriques des particules élémentaires sont des multiples de la plus petite charge inhérente à l'électron. Dans le même temps, les particules élémentaires sont divisées en paires particule - antiparticule, par exemple e - - e + (elles ont toutes les mêmes caractéristiques, et les signes de charge électrique sont opposés). Les particules électriquement neutres contiennent également des antiparticules, par exemple p-,- .
Donc, concept atomistique est basé sur l'idée de la structure discrète de la matière. L'approche atomique explique les propriétés d'un objet physique à partir des propriétés de ses plus petites particules, qui, à un certain stade de la cognition, sont considérées comme indivisibles. Historiquement, ces particules ont d’abord été reconnues comme des atomes, puis comme des particules élémentaires et maintenant comme des quarks. La difficulté de cette approche est la réduction complète du complexe au simple, qui ne prend pas en compte les différences qualitatives entre eux.
Jusqu'à la fin du premier quart du XXe siècle, l'idée de l'unité de la structure du macro et du microcosme était comprise de manière mécaniste, comme l'identité complète des lois et comme la similitude complète de la structure des deux.
Les microparticules ont été interprétées comme des copies miniatures de macrocorps, ᴛ.ᴇ. comme des boules extrêmement petites (corpuscules) se déplaçant sur des orbites précises qui sont complètement similaires aux orbites planétaires, à la seule différence que corps célestes sont liées par des forces d’interaction gravitationnelle et les microparticules par des forces d’interaction électrique.
Après la découverte de l'électron (Thomson, 1897 ᴦ.), la création de la théorie quantique (Planck, 1900 ᴦ.), l'introduction de la notion de photon (Einstein, 1905 ᴦ.), la doctrine atomique acquise nouveau personnage.
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L'idée de discrétion s'est étendue au domaine des phénomènes électriques et lumineux, à la notion d'énergie (au XIXe siècle, la doctrine de l'énergie servait de sphère d'idées sur valeurs continues et fonctions de l'État). La caractéristique la plus importante de la modernité doctrine atomique constitue l’atomisme de l’action. Cela est dû au fait que le mouvement, les propriétés et les états de divers micro-objets se prêtent à la quantification, ᴛ.ᴇ. sont exprimés sous forme de quantités et de rapports discrets. Le nouvel atomisme reconnaît stabilité relative chaque type discret de matière, sa certitude qualitative, son indivisibilité relative et son intransformabilité dans les limites connues des phénomènes naturels. Par exemple, étant divisible par certains par des moyens physiques, l'atome est chimiquement indivisible, ᴛ.ᴇ. dans les processus chimiques, il se comporte comme un tout, indivisible. La molécule, étant divisible chimiquement en atomes, en mouvement thermique (jusqu'à limites connues) se comporte comme un tout, indivisible, etc.
La reconnaissance de l’interconvertibilité de tout type discret de matière est particulièrement importante dans le concept de nouvel atomisme.
Différents niveaux organisation structurelle réalité physique(quarks, microparticules, noyaux, atomes, molécules, macrocorps, mégasystèmes) ont leurs propres lois physiques. Mais peu importe à quel point les phénomènes étudiés sont différents des phénomènes étudiés physique classique, toutes les données expérimentales doivent être décrites en utilisant des concepts classiques. Il existe une différence fondamentale entre la description du comportement du microobjet étudié et la description de l'action des instruments de mesure. Ceci est dû au fait que l'action des instruments de mesure doit, en principe, être décrite dans un langage physique classique, et l'objet étudié peut ne pas être décrit par ce langage.
Approche corpusculaire de l’explication phénomènes physiques et les processus ont toujours été combinés avec l'approche du continuum depuis l'émergence de la physique des interactions. Cela s'exprimait dans le concept de champ et la révélation de son rôle dans interaction physique. Représentation du champ comme un flux d'un certain type de particules ( théorie des quanta champs) et attribution à tout objet physique propriétés des vagues(hypothèse de Louis de Broglie) a réuni ces deux approches de l'analyse des phénomènes physiques.
Faible interaction - concept et types. Classement et caractéristiques de la catégorie « Interaction faible » 2017, 2018.
