Основные виды фундаментальных взаимодействий

Взаимодействие и движение – важнейшие атрибуты материи. Взаимодействие определяет объединение различных объектов системы.

Свойства систем определяются их взаимодействием.

В истории науки выделяют 2 подхода к описанию взаимодействия между телами:

- концепции близкодействия;

- концепции дальнодействия

Согласно первой концепции, взаимодействие между телами осуществляется с помощью промежуточных действий. Среда передаёт взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью.

Согласно концепции дальнодействия, действия тел друг на друга передаётся мгновенно через пустоту.

Аристотель считал, что пустота в мире отсутствует, движение и взаимодействие возможны потому, что между телами существует цепочка тесно прилегающих друг к другу тел. Таким образом взаимодействие передаётся непосредственно через контакт.

В 17 веке франц.физиолог, маиематик, физик Рене Декарт считал, что взаимодействие может происходить только путём давления или удара.

И Аристотель, и Декарт являются сторонниками теории близкодействия.

В 20 веке механизм взаимодействия рассматривался на микроуровне. Были открыты протоны, нейтроны, электроны; частицы редкие, короткодействующие. Были созданы 4 вида фундаментального взаимодействия:

- гравитационное

- электромагнитное

- сильное

- слабое

1) гравитационное – стало исследоваться самым первым. Оно характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения – 17 век – И.Ньютон - Закон всемирного тяготения: «Между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямопропорциональная произведении. Их масс и обратнопропорциональная квадрату расстояния между ними:

F=k*((m1*m2))/r*r,

Где к – гравитационная постоянная»

Но этот закон не раскрывает причины возникновения. Во времена Ньютона причиной взаимодействия стали считать эфир.

Природа гравитации до настоящего времени полностью не изучена. Согласно современным представлениям, гравитационные взаимодействия объясняются наличием поля, которое является переносчиком гравитонов – мельчайших частиц, не обладающих массой. Они и определяют гравитационные взаимодействия: падение тел в поле сил тяготения.

Законом всемирного тяготения описывается возникновение и движение планет солнечной системы.

В микромире гравитационные взаимодействия очень слабые. Экспериментально они до сих пор не обнаружены.

2) электромагнитное – описание этого взаимодействия даёт электромагнитная теория, разработанная Фарадеем, Максвеллом Кулоном.

Это взаимодействие передаётся с помощью электрических и магнитных полей (при движении электрич.зарядов).

Переносчики взаимодействия – фотоны – частицы с нулевой массой.

Дальность эл-магнитного взаимодействия ничем не ограничена. Взаимодействие не имеет преимущественного направления. Оно описывается законом электростатики Кулона:

«Сила, действующая между двумя точечными зарядами, обратнопропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти частицы:

F=1/R*R»

Электростатические силы, так же как и гравитационные, убывают обратнопропорционально квадрату расстояния.

Но есть и различия между этими силами:

а) эл-статические силы существенно превосходят гравитационные;

б) гравитационные силы – силы притяжения, а электростатические – и притяжения, и отталкивания;

в) величина гравит.сил прямопропорциональна массам взаимодействующих тел. В электрост.явлении его нет, но есть невесомость.

Электромагнитное вз-ие проявляется на всех уровнях организации материи. К этому вз-ию относятся: силы трения, силы поверхностного натяжения и др. Структура атома тоже определяется эл-магнитным взаимодействием.

3) сильное – относится к ядерным. Ядерные вз-ия проявляются на расстояниях, сравнимых с размером ядра атома. Сущ-ет 2 типа процессов, различающихся скоростью протекания. Ядерные вз-ия подразделяют на сильные, удерживающие частицы от разлетания и слабые, являющиеся причиной распада элементарных частиц.

Сильное вз-ие открыли в 20 веке; оно обеспечивает связь нуклонов в ядре и кварков внутри нуклона. Кварк – теоретически вычисленная элементарная частица с дробным электрическим зарядом. Считается, что из кварков состоят протоны и нейтроны. Экспериментально кварки не обнаружены.

Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем ядро стабильнее, тем выше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре размер ядра может быстро распадаться.

Предполагается, что сильное взаимодействие передаётся глюонами – частицами которые соединяют кварки.

Эти силы действуют на небольших расстояниях. На расстоянии 10 в -13 или меньше ядерные силы в сотни раз превышают электромагнитные.

4) слабое – к ним относятся некоторые виды ядерных процессов. Это вз-ие вызывает превращение одних частиц в другие. Они наблюдаются при некоторых видах столкновения частиц, распаде частиц. Поэтому открытие сл. вз-ия произошло вслед открытия радиоактивности.

В слабом вз-ии участвуют все радиомагнитные частицы, кроме фотона.

Слабое вз-ие является краткодействующим и характеризует все виды бэта-переходов:

N=p+e+u, где

N – нейтрон; p – протон; е – электрон; u – антинейтрино.

Преобразование нейтронов в протоны приводит в их превращению в атомы других элементов, а возникающие электроны испускаются в виде мощного излучения.

Т.к. это вз-ие является краткодействующим, то оно может влиять только на объекты микромира и не влияет на макро- и мегомир.

Теория сл.вз-ия появилась в конце 1960ых годов. А первая гипотеза сл. вз-ия была выдвинута в 1934 году Энрико Ферми (1901 - 1954).

Для количественного анализа фундаментальных вз-ий используют 2 характеристики:

1) безмерная константа вз-ия;

2) характеристика радиус действия.

Самой маленькой явл.константа гравитационного вз-ия (6*10 в -39). Радиус действия этого вз-ия,так же, как и эл-магнитного, неограничен.

Гравитационное вз-ие в процессах микромира существенной роли не играет.

Сильное вз-ие распространяется только в пределах размера ядра.

Вз-ие между атомами и молекулами преимущественно имеет эл-магнитную природу.