Η αδύναμη δύναμη είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που κυβερνούν όλη την ύλη στο σύμπαν. Τα άλλα τρία είναι η βαρύτητα, ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ισχυρή δύναμη. Ενώ άλλες δυνάμεις συγκρατούν τα πράγματα, μια αδύναμη δύναμη παίζει μεγάλο ρόλο στη διάλυσή τους.
Η ασθενής δύναμη είναι ισχυρότερη από τη βαρύτητα, αλλά είναι αποτελεσματική μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις. Η Δύναμη λειτουργεί σε υποατομικό επίπεδο και παίζει κρίσιμο ρόλο στην παροχή ενέργειας στα αστέρια και στη δημιουργία των στοιχείων. Είναι επίσης υπεύθυνο για το μεγαλύτερο μέρος της φυσικής ακτινοβολίας στο σύμπαν.
Θεωρία Fermi
Ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi ανέπτυξε μια θεωρία το 1933 για να εξηγήσει τη διάσπαση βήτα, τη διαδικασία μετατροπής ενός νετρονίου σε πρωτόνιο και αποβολής ηλεκτρονίου, που συχνά αναφέρεται σε αυτό το πλαίσιο ως σωματίδιο βήτα. Προσδιόρισε έναν νέο τύπο δύναμης, τη λεγόμενη αδύναμη δύναμη, η οποία ήταν υπεύθυνη για τη διάσπαση, τη θεμελιώδη διαδικασία μετατροπής ενός νετρονίου σε πρωτόνιο, νετρίνο και ηλεκτρόνιο, το οποίο αργότερα αναγνωρίστηκε ως αντινετρίνο.
Fermi αρχικάυπέθεσε ότι υπήρχε μηδενική απόσταση και πρόσφυση. Τα δύο σωματίδια έπρεπε να έρθουν σε επαφή για να λειτουργήσει η δύναμη. Έκτοτε αποκαλύφθηκε ότι η ασθενής δύναμη είναι στην πραγματικότητα μια ελκτική δύναμη που εκδηλώνεται σε εξαιρετικά μικρή απόσταση, ίση με το 0,1% της διαμέτρου ενός πρωτονίου.
Ηλεκτροασθενής δύναμη
Στις ραδιενεργές διασπάσεις, η ασθενής δύναμη είναι περίπου 100.000 φορές μικρότερη από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Ωστόσο, είναι πλέον γνωστό ότι είναι εγγενώς ίσο με το ηλεκτρομαγνητικό, και αυτά τα δύο φαινομενικά διακριτά φαινόμενα πιστεύεται ότι είναι εκδηλώσεις μιας μόνο ηλεκτροασθενούς δύναμης. Αυτό επιβεβαιώνεται από το γεγονός ότι συνδυάζονται σε ενέργειες μεγαλύτερες από 100 GeV.
Μερικές φορές λένε ότι η ασθενής αλληλεπίδραση εκδηλώνεται στη διάσπαση των μορίων. Ωστόσο, οι διαμοριακές δυνάμεις είναι ηλεκτροστατικής φύσης. Ανακαλύφθηκαν από τον van der Waals και φέρουν το όνομά του.
Τυπικό μοντέλο
Η ασθενής αλληλεπίδραση στη φυσική είναι μέρος του καθιερωμένου μοντέλου - της θεωρίας των στοιχειωδών σωματιδίων, η οποία περιγράφει τη θεμελιώδη δομή της ύλης χρησιμοποιώντας ένα σύνολο κομψών εξισώσεων. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, τα στοιχειώδη σωματίδια, δηλαδή αυτά που δεν μπορούν να χωριστούν σε μικρότερα μέρη, είναι τα δομικά στοιχεία του σύμπαντος.
Ένα από αυτά τα σωματίδια είναι το κουάρκ. Οι επιστήμονες δεν υποθέτουν την ύπαρξη τίποτα λιγότερο, αλλά εξακολουθούν να ψάχνουν. Υπάρχουν 6 τύποι ή ποικιλίες κουάρκ. Ας τα βάλουμε σε μια σειράαύξηση μάζας:
- κορυφή;
- lower;
- περίεργο;
- μαγεμένος;
- αξιολάτρευτο;
- true.
Σε διάφορους συνδυασμούς, σχηματίζουν πολλά διαφορετικά είδη υποατομικών σωματιδίων. Για παράδειγμα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια -μεγάλα σωματίδια του ατομικού πυρήνα- αποτελούνται το καθένα από τρία κουάρκ. Τα δύο πάνω και τα κάτω αποτελούν ένα πρωτόνιο. Το επάνω ένα και το δύο κάτω σχηματίζουν ένα νετρόνιο. Η αλλαγή του είδους του κουάρκ μπορεί να αλλάξει ένα πρωτόνιο σε νετρόνιο, μετατρέποντας έτσι ένα στοιχείο σε ένα άλλο.
Ένας άλλος τύπος στοιχειωδών σωματιδίων είναι το μποζόνιο. Αυτά τα σωματίδια είναι φορείς αλληλεπίδρασης, που αποτελούνται από δέσμες ενέργειας. Τα φωτόνια είναι ένας τύπος μποζονίου, τα γκλουόνια είναι ένας άλλος τύπος. Κάθε μία από αυτές τις τέσσερις δυνάμεις είναι το αποτέλεσμα μιας ανταλλαγής φορέων αλληλεπίδρασης. Η ισχυρή αλληλεπίδραση πραγματοποιείται από το γλουόνιο και η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση από το φωτόνιο. Το graviton είναι θεωρητικά ο φορέας της βαρύτητας, αλλά δεν έχει βρεθεί.
μποζόνια W- και Z
Ασθενής αλληλεπίδραση φέρεται από τα μποζόνια W και Z. Αυτά τα σωματίδια είχαν προβλεφθεί από τους νομπελίστες Steven Weinberg, Sheldon Salam και Abdus Gleshow τη δεκαετία του 1960 και ανακαλύφθηκαν το 1983 στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικής Έρευνας CERN.
ΤαΤα μποζόνια W είναι ηλεκτρικά φορτισμένα και συμβολίζονται με τα σύμβολα W+ (θετικά φορτισμένα) και W- (αρνητικά φορτισμένα). Το μποζόνιο W αλλάζει τη σύνθεση των σωματιδίων. Εκπέμποντας ένα ηλεκτρικά φορτισμένο μποζόνιο W, η ασθενής δύναμη αλλάζει το είδος του κουάρκ, δημιουργώντας ένα πρωτόνιοσε ένα νετρόνιο ή το αντίστροφο. Αυτό είναι που προκαλεί την πυρηνική σύντηξη και προκαλεί την καύση των άστρων.
Αυτή η αντίδραση δημιουργεί βαρύτερα στοιχεία που τελικά ρίχνονται στο διάστημα από εκρήξεις σουπερνόβα για να γίνουν τα δομικά στοιχεία πλανητών, φυτών, ανθρώπων και οτιδήποτε άλλο στη Γη.
Ουδέτερο ρεύμα
Το Ζ-μποζόνιο είναι ουδέτερο και φέρει ένα ασθενές ουδέτερο ρεύμα. Η αλληλεπίδρασή του με τα σωματίδια είναι δύσκολο να εντοπιστεί. Οι πειραματικές έρευνες για τα μποζόνια W και Z στη δεκαετία του 1960 οδήγησαν τους επιστήμονες σε μια θεωρία που συνδυάζει τις ηλεκτρομαγνητικές και τις αδύναμες δυνάμεις σε ένα ενιαίο «ηλεκτροασθενές». Ωστόσο, η θεωρία απαιτούσε τα σωματίδια-φορείς να είναι αβαρή και οι επιστήμονες γνώριζαν ότι θεωρητικά το μποζόνιο W θα έπρεπε να είναι βαρύ για να εξηγήσουν τη μικρή του εμβέλεια. Οι θεωρητικοί έχουν αποδώσει τη μάζα W σε έναν αόρατο μηχανισμό που ονομάζεται μηχανισμός Higgs, ο οποίος προβλέπει την ύπαρξη του μποζονίου Higgs.
Το 2012, το CERN ανέφερε ότι οι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τον μεγαλύτερο επιταχυντή στον κόσμο, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, είχαν παρατηρήσει ένα νέο σωματίδιο "που αντιστοιχεί στο μποζόνιο Higgs."
Beta Decay
Ασθενής αλληλεπίδραση εκδηλώνεται στη β-διάσπαση - τη διαδικασία κατά την οποία ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο και αντίστροφα. Εμφανίζεται όταν, σε έναν πυρήνα με πάρα πολλά νετρόνια ή πρωτόνια, ένα από αυτά μετατρέπεται σε άλλο.
Η αποσύνθεση βήτα μπορεί να συμβεί με έναν από τους δύο τρόπους:
- Σε αποσύνθεση μείον-βήτα, μερικές φορές γράφεται ωςβ− -διάσπαση, το νετρόνιο διασπάται σε ένα πρωτόνιο, ένα αντινετρίνο και ένα ηλεκτρόνιο.
- Ασθενής αλληλεπίδραση εκδηλώνεται στη διάσπαση των ατομικών πυρήνων, που μερικές φορές γράφεται ως β+-διάσπαση, όταν ένα πρωτόνιο διασπάται σε νετρόνιο, νετρίνο και ποζιτρόνιο.
Ένα από τα στοιχεία μπορεί να μετατραπεί σε άλλο όταν ένα από τα νετρόνια του μετατρέπεται αυθόρμητα σε πρωτόνιο μέσω διάσπασης μείον-βήτα ή όταν ένα από τα πρωτόνια του μετατρέπεται αυθόρμητα σε νετρόνιο μέσω του β+-decay.
Διπλή διάσπαση βήτα συμβαίνει όταν 2 πρωτόνια στον πυρήνα μετατρέπονται ταυτόχρονα σε 2 νετρόνια ή το αντίστροφο, με αποτέλεσμα την εκπομπή 2 ηλεκτρονίων-αντινετρίνων και 2 σωματιδίων βήτα. Σε μια υποθετική διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνα, τα νετρίνα δεν παράγονται.
Ηλεκτρονική λήψη
Ένα πρωτόνιο μπορεί να μετατραπεί σε νετρόνιο μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται σύλληψη ηλεκτρονίων ή σύλληψη K. Όταν ο πυρήνας έχει υπερβολικό αριθμό πρωτονίων σε σχέση με τον αριθμό των νετρονίων, το ηλεκτρόνιο, κατά κανόνα, από το εσωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων φαίνεται να πέφτει στον πυρήνα. Το ηλεκτρόνιο του τροχιακού συλλαμβάνεται από τον μητρικό πυρήνα, τα προϊόντα του οποίου είναι ο θυγατρικός πυρήνας και το νετρίνο. Ο ατομικός αριθμός του θυγατρικού πυρήνα που προκύπτει μειώνεται κατά 1, αλλά ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων παραμένει ο ίδιος.
αντίδραση σύντηξης
Η ασθενής δύναμη εμπλέκεται στην πυρηνική σύντηξη, την αντίδραση που τροφοδοτεί τον ήλιο και τις βόμβες σύντηξης (υδρογόνου).
Το πρώτο βήμα στη σύντηξη υδρογόνου είναι η σύγκρουση δύοπρωτόνια με επαρκή δύναμη για να ξεπεράσουν την αμοιβαία απώθηση που βιώνουν λόγω της ηλεκτρομαγνητικής τους αλληλεπίδρασης.
Εάν και τα δύο σωματίδια τοποθετηθούν κοντά το ένα στο άλλο, η ισχυρή αλληλεπίδραση μπορεί να τα δεσμεύσει. Αυτό δημιουργεί μια ασταθή μορφή ηλίου (2He), το οποίο έχει έναν πυρήνα με δύο πρωτόνια, σε αντίθεση με τη σταθερή μορφή (4He), που έχει δύο νετρόνια και δύο πρωτόνια.
Το επόμενο βήμα είναι η αδύναμη αλληλεπίδραση. Λόγω της περίσσειας πρωτονίων, ένα από αυτά υφίσταται βήτα διάσπαση. Μετά από αυτό, άλλες αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένου του ενδιάμεσου σχηματισμού και της σύντηξης 3He, τελικά σχηματίζουν ένα σταθερό 4He.
