מהו הכוח החלש בפיזיקה?

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 05:26

הכוח החלש הוא אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים השולטים בכל החומר ביקום. שלושת האחרים הם כוח הכבידה, אלקטרומגנטיות והכוח החזק. בעוד כוחות אחרים מחזיקים דברים יחד, לכוח חלש יש חלק גדול בפירוקם.

הכוח החלש חזק יותר מכוח הכבידה, אבל הוא יעיל רק במרחקים קטנים מאוד. הכוח פועל ברמה התת-אטומית וממלא תפקיד קריטי במתן אנרגיה לכוכבים וביצירת היסודות. הוא גם אחראי לרוב הקרינה הטבעית ביקום.

תאוריית פרמי

הפיזיקאי האיטלקי אנריקו פרמי פיתח תיאוריה ב-1933 כדי להסביר את ריקבון בטא, תהליך המרת נויטרון לפרוטון והוצאת אלקטרון, המכונה לעתים קרובות בהקשר זה כחלקיק בטא. הוא זיהה סוג חדש של כוח, מה שנקרא כוח חלש, שהיה אחראי לדעיכה, התהליך הבסיסי של הפיכת נויטרון לפרוטון, נייטרינו ואלקטרון, שזוהה מאוחר יותר כאנטי-נייטרינו.

Fermi במקורהניחו שיש אפס מרחק והידבקות. שני החלקיקים היו צריכים להיות במגע כדי שהכוח יפעל. מאז התגלה כי הכוח החלש הוא למעשה כוח משיכה המתבטא במרחק קצר ביותר, השווה ל-0.1% מקוטר פרוטון.

Electroweak force

בדעיכה רדיואקטיבית, הכוח החלש קטן בערך פי 100,000 מהכוח האלקטרומגנטי. עם זאת, ידוע כעת שהוא שווה במהותו לזו האלקטרומגנטית, ושתי התופעות הנבדלות לכאורה אלו נחשבות לביטויים של כוח אלקטרו-חלש יחיד. זה מאושר על ידי העובדה שהם משתלבים באנרגיות הגבוהות מ-100 GeV.

לפעמים אומרים שהאינטראקציה החלשה מתבטאת בדעיכה של מולקולות. עם זאת, כוחות בין-מולקולריים הם בעלי אופי אלקטרוסטטי. הם התגלו על ידי ואן דר ואלס ונושאים את שמו.

מודל סטנדרטי

אינטראקציה חלשה בפיזיקה היא חלק מהמודל הסטנדרטי - תורת החלקיקים היסודיים, המתארת את המבנה הבסיסי של החומר באמצעות קבוצה של משוואות אלגנטיות. על פי מודל זה, חלקיקים אלמנטריים, כלומר זה שלא ניתן לחלקו לחלקים קטנים יותר, הם אבני הבניין של היקום.

אחד מהחלקיקים האלה הוא הקווארק. מדענים לא מניחים את קיומו של משהו פחות, אבל הם עדיין מחפשים. ישנם 6 סוגים או זנים של קווארקים. בואו נעשה סדר בהםעלייה המונית:

• top;
• lower;
• מוזר;
• enchanted;
• מקסים;
• true.

בשילובים שונים, הם יוצרים סוגים רבים ושונים של חלקיקים תת-אטומיים. לדוגמה, פרוטונים וניוטרונים - חלקיקים גדולים של גרעין האטום - כל אחד מורכב משלושה קווארקים. השניים העליונים והתחתונים מהווים פרוטון. העליון והשני התחתונים יוצרים נויטרון. שינוי סוג הקווארק יכול לשנות פרוטון לנייטרון, ובכך להפוך אלמנט אחד למשנהו.

סוג אחר של חלקיקים יסודיים הוא בוזון. חלקיקים אלו הם נושאי אינטראקציה, המורכבים מקורני אנרגיה. פוטונים הם סוג אחד של בוזון, גלוונים הם סוג אחר. כל אחד מארבעת הכוחות הללו הוא תוצאה של חילופי נושאי אינטראקציה. האינטראקציה החזקה מתבצעת על ידי הגלואון, והאינטראקציה האלקטרומגנטית על ידי הפוטון. הגרביטון הוא תיאורטית נושא הכבידה, אך הוא לא נמצא.

W- ו-Z-bosons

אינטראקציה חלשה מתבצעת על ידי בוזונים של W ו-Z. חלקיקים אלו ניבאו על ידי חתני פרס נובל סטיבן ויינברג, שלדון סלאם ועבדוס גלשואו בשנות ה-60 והתגלו ב-1983 בארגון האירופי לחקר גרעיני CERN.

W-בוזונים טעונים חשמלית ומסומנים בסמלים W⁺ (טעון חיובי) ו-W^{- (טעון שלילי). W-boson משנה את הרכב החלקיקים. על ידי פליטת בוזון W טעון חשמלית, הכוח החלש משנה את סוג הקווארק ויוצר פרוטוןלתוך נויטרון או להיפך. זה מה שגורם להיתוך גרעיני וגורם לשריפת כוכבים.}

תגובה זו יוצרת יסודות כבדים יותר שנזרקים בסופו של דבר לחלל על ידי פיצוצי סופרנובה והופכים לאבני הבניין של כוכבי לכת, צמחים, אנשים וכל דבר אחר על פני כדור הארץ.

נוכחי ניטרלי

Z-boson הוא ניטרלי ונושא זרם ניטרלי חלש. קשה לזהות את האינטראקציה שלו עם חלקיקים. חיפושים ניסיוניים אחר בוזונים W ו-Z בשנות ה-60 הובילו מדענים לתיאוריה המשלבת את הכוחות האלקטרומגנטיים והחלשים לכדי "חולשה חשמלית". עם זאת, התיאוריה דרשה מחלקיקי הנשא להיות חסרי משקל, והמדענים ידעו שבאופן תיאורטי הבוזון W יצטרך להיות כבד כדי להסביר את הטווח הקצר שלו. תיאורטיקנים ייחסו את המסה W למנגנון בלתי נראה הנקרא מנגנון היגס, המספק את קיומו של בוזון היגס.

בשנת 2012, CERN דיווחה כי מדענים המשתמשים במאיץ הגדול בעולם, מאיץ ההדרונים הגדול, צפו בחלקיק חדש "המקביל לבוזון היגס".

Beta Decay

אינטראקציה חלשה מתבטאת ב-β-decay - התהליך שבו פרוטון הופך לנייטרון ולהיפך. זה מתרחש כאשר, בגרעין עם יותר מדי נויטרונים או פרוטונים, אחד מהם הופך לאחר.

דעיכת ביטא יכולה להתרחש באחת משתי דרכים:

1. בדעיכה מינוס בטא, לפעמים נכתב בתורβ− -דעיכה, הנייטרון מתפצל לפרוטון, אנטי-נייטרינו ואלקטרון.
2. אינטראקציה חלשה מתבטאת בריקבון של גרעיני אטום, לפעמים כתוב כ-β+-דעיכה, כאשר פרוטון מתפצל לנייטרון, ניטרינו ופוזיטרון.

אחד היסודות יכול להפוך לאחר כאשר אחד הנייטרונים שלו הופך באופן ספונטני לפרוטון באמצעות דעיכה מינוס בטא, או כאשר אחד הפרוטונים שלו הופך באופן ספונטני לנייטרון דרך β+-דעיכה.

התפרקות בטא כפולה מתרחשת כאשר 2 פרוטונים בגרעין הופכים בו-זמנית ל-2 נויטרונים או להיפך, וכתוצאה מכך פליטת 2 אלקטרונים-אנטינוטרינו ו-2 חלקיקי בטא. בהתפרקות בטא כפולה היפותטית ללא ניטרינו, לא נוצרים ניטרינו.

לכידה אלקטרונית

פרוטון יכול להפוך לנייטרון באמצעות תהליך שנקרא לכידת אלקטרונים או לכידת K. כאשר לגרעין יש מספר עודף של פרוטונים ביחס למספר הנייטרונים, נראה שהאלקטרון, ככלל, ממעטפת האלקטרון הפנימית נופל לתוך הגרעין. האלקטרון של האורביטל נלכד על ידי גרעין האב, שהתוצרים שלו הם גרעין הבת והנייטרינו. המספר האטומי של גרעין הבת שנוצר יורד ב-1, אבל המספר הכולל של פרוטונים וניטרונים נשאר זהה.

תגובת פיוז'ן

הכוח החלש מעורב בהיתוך גרעיני, התגובה שמניעה את השמש ופצצות היתוך (מימן).

השלב הראשון בהיתוך מימן הוא התנגשות של שנייםפרוטונים בעלי כוח מספיק כדי להתגבר על הדחייה ההדדית שהם חווים עקב האינטראקציה האלקטרומגנטית שלהם.

אם שני החלקיקים ממוקמים קרוב זה לזה, אינטראקציה חזקה יכולה לקשור אותם. זה יוצר צורה לא יציבה של הליום (²He), שיש לה גרעין עם שני פרוטונים, בניגוד לצורה היציבה (^{4He), שיש לו שני נויטרונים ושני פרוטונים.}

השלב הבא הוא האינטראקציה החלשה. עקב עודף של פרוטונים, אחד מהם עובר ריקבון בטא. לאחר מכן, תגובות אחרות, כולל היווצרות ביניים והיתוך ³He, יוצרות בסופו של דבר ^{4He. יציב}