ฟิสิกส์ที่อ่อนแอคืออะไร?

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

พลังที่อ่อนแอเป็นหนึ่งในสี่กองกำลังพื้นฐานที่ควบคุมสสารทั้งหมดในจักรวาล อีกสามอย่างคือ แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า และกำลังแรง ในขณะที่กองกำลังอื่นๆ ยึดถือสิ่งต่างๆ ไว้ด้วยกัน พลังที่อ่อนแอก็มีส่วนสำคัญในการทำลายล้าง

แรงที่อ่อนแรงกว่าแรงโน้มถ่วง แต่ได้ผลในระยะทางที่น้อยมากเท่านั้น แรงกระทำในระดับต่ำกว่าอะตอมและมีบทบาทสำคัญในการให้พลังงานแก่ดวงดาวและสร้างองค์ประกอบ นอกจากนี้ยังรับผิดชอบต่อการแผ่รังสีธรรมชาติส่วนใหญ่ในจักรวาล

ทฤษฎีเฟอร์มิ

นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี เอนริโก แฟร์มี พัฒนาทฤษฎีในปี 1933 เพื่ออธิบายการสลายตัวของบีตา กระบวนการเปลี่ยนนิวตรอนให้เป็นโปรตอนและขับอิเล็กตรอน ซึ่งมักเรียกในบริบทนี้ว่าอนุภาคบีตา เขาระบุแรงรูปแบบใหม่ที่เรียกว่าแรงอ่อน ซึ่งมีหน้าที่ในการสลายตัว กระบวนการพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงนิวตรอนให้เป็นโปรตอน นิวตริโน และอิเล็กตรอน ซึ่งต่อมาถูกระบุว่าเป็นแอนตินิวตริโน

เฟมิดั้งเดิมถือว่ามีระยะห่างและการยึดเกาะเป็นศูนย์ อนุภาคทั้งสองต้องสัมผัสกันเพื่อให้แรงทำงาน นับตั้งแต่นั้นมาได้มีการเปิดเผยว่าแรงที่อ่อนแอจริง ๆ แล้วเป็นแรงที่น่าดึงดูดซึ่งแสดงออกในระยะที่สั้นมาก เท่ากับ 0.1% ของเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน

กำลังไฟฟ้า

ในการสลายกัมมันตภาพรังสี แรงอ่อนจะเล็กกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าประมาณ 100,000 เท่า อย่างไรก็ตาม เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ามีค่าเท่ากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยแท้จริง และปรากฏการณ์ทั้งสองที่เห็นได้ชัดเจนนี้ถือเป็นปรากฏการณ์ของแรงไฟฟ้าอ่อนเพียงจุดเดียว สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากข้อเท็จจริงที่ว่าพวกเขารวมกันเป็นพลังงานที่มากกว่า 100 GeV

บางครั้งพวกเขาบอกว่าปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นแสดงออกมาในการสลายตัวของโมเลกุล อย่างไรก็ตาม แรงระหว่างโมเลกุลมีลักษณะเป็นไฟฟ้าสถิต พวกเขาถูกค้นพบโดย Van der Waals และมีชื่อของเขา

รุ่นมาตรฐาน

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอในฟิสิกส์เป็นส่วนหนึ่งของแบบจำลองมาตรฐาน - ทฤษฎีอนุภาคมูลฐาน ซึ่งอธิบายโครงสร้างพื้นฐานของสสารโดยใช้ชุดสมการที่หรูหรา ตามแบบจำลองนี้ อนุภาคมูลฐาน กล่าวคือ สิ่งที่ไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วนเล็กๆ ได้ คือองค์ประกอบสำคัญของจักรวาล

หนึ่งในอนุภาคเหล่านี้คือควาร์ก นักวิทยาศาสตร์ไม่คิดว่าการมีอยู่ของสิ่งใดที่น้อยกว่านี้ แต่พวกเขายังคงมองหา ควาร์กมี 6 ชนิดหรือหลายสายพันธุ์ มาจัดกันเลยค่ะการเพิ่มมวล:

• top;
• ต่ำกว่า;
• แปลก;
• ร่ายมนตร์;
• น่ารัก;
• จริง

ในรูปแบบต่างๆ พวกมันจะก่อตัวเป็นอนุภาคของอะตอมชนิดต่างๆ ตัวอย่างเช่น โปรตอนและนิวตรอน - อนุภาคขนาดใหญ่ของนิวเคลียสอะตอม - แต่ละตัวประกอบด้วยสามควาร์ก สองตัวบนและตัวล่างประกอบกันเป็นโปรตอน อันบนหนึ่งและสองอันล่างสร้างนิวตรอน การเปลี่ยนชนิดของควาร์กสามารถเปลี่ยนโปรตอนให้เป็นนิวตรอน ซึ่งจะทำให้องค์ประกอบหนึ่งกลายเป็นอีกองค์ประกอบหนึ่ง

อนุภาคมูลฐานอีกประเภทหนึ่งคือโบซอน อนุภาคเหล่านี้เป็นตัวพาปฏิสัมพันธ์ ซึ่งประกอบด้วยลำแสงพลังงาน โฟตอนเป็นโบซอนชนิดหนึ่ง กลูออนเป็นอีกชนิดหนึ่ง กองกำลังทั้งสี่นี้เป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนตัวพาปฏิสัมพันธ์ ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงดำเนินการโดยกลูออนและปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าโดยโฟตอน กราวิตอนเป็นพาหะของแรงโน้มถ่วงในทางทฤษฎี แต่ยังไม่พบ

W- และ Z-bosons

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอนั้นเกิดจาก W- และ Z-bosons อนุภาคเหล่านี้ทำนายโดยผู้ได้รับรางวัลโนเบลอย่าง Steven Weinberg, Sheldon Salam และ Abdus Gleshow ในปี 1960 และถูกค้นพบในปี 1983 ที่ European Organization for Nuclear Research CERN

W-bosons ถูกชาร์จด้วยไฟฟ้าและมีสัญลักษณ์กำกับว่า W⁺ (ประจุบวก) และ W^{- (ประจุลบ). W-boson เปลี่ยนองค์ประกอบของอนุภาค โดยการปล่อย W boson ที่มีประจุไฟฟ้า แรงอ่อนจะเปลี่ยนประเภทของควาร์ก ทำให้เกิดโปรตอนเป็นนิวตรอนหรือกลับกัน นี่คือสิ่งที่ทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิวชันและทำให้ดาวไหม้}

ปฏิกิริยานี้สร้างองค์ประกอบที่หนักกว่าซึ่งสุดท้ายแล้วการระเบิดของซุปเปอร์โนวาก็ถูกโยนขึ้นไปในอวกาศเพื่อกลายเป็นส่วนประกอบสำคัญของดาวเคราะห์ พืช ผู้คน และทุกสิ่งบนโลก

กระแสเป็นกลาง

Z-boson เป็นกลางและมีกระแสไฟฟ้าอ่อนๆ ปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคนั้นยากต่อการตรวจจับ การทดลองค้นหา W- และ Z-bosons ในปี 1960 ทำให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบทฤษฎีที่รวมพลังแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อนเข้าเป็น "electroweak" ตัวเดียว อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้ต้องการให้อนุภาคพาหะไม่มีน้ำหนัก และนักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่าในทางทฤษฎี W boson จะต้องหนักเพื่ออธิบายช่วงสั้น ๆ ของมัน นักทฤษฎีเชื่อว่ามวล W เป็นกลไกที่มองไม่เห็นซึ่งเรียกว่ากลไกฮิกส์ ซึ่งจัดให้มีโบซอนฮิกส์

ในปี 2555 CERN รายงานว่านักวิทยาศาสตร์ที่ใช้เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่สุดในโลก นั่นคือ Large Hadron Collider ได้สังเกตเห็นอนุภาคใหม่ "ซึ่งสัมพันธ์กับ Higgs boson"

เบต้าสลายตัว

ปฏิกิริยาที่อ่อนแอปรากฏใน β-decay - กระบวนการที่โปรตอนกลายเป็นนิวตรอนและในทางกลับกัน มันเกิดขึ้นเมื่อในนิวเคลียสที่มีนิวตรอนหรือโปรตอนมากเกินไป หนึ่งในนั้นถูกแปลงเป็นอีกนิวเคลียส

เบต้าสลายสามารถเกิดขึ้นได้สองวิธี:

1. ในการสลายตัวแบบลบ-เบต้า บางครั้งเขียนเป็นβ− -สลายตัว นิวตรอนแตกออกเป็นโปรตอน แอนตินิวตริโน และอิเล็กตรอน
2. ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอแสดงให้เห็นในการสลายตัวของนิวเคลียสอะตอม บางครั้งเขียนเป็น β+-สลายตัว เมื่อโปรตอนแยกออกเป็นนิวตรอน นิวตริโน และโพซิตรอน

องค์ประกอบหนึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นอีกธาตุหนึ่งได้เมื่อนิวตรอนตัวหนึ่งเปลี่ยนเป็นโปรตอนโดยธรรมชาติโดยการสลายตัวด้วยลบ-เบต้า หรือเมื่อโปรตอนตัวหนึ่งกลายเป็นนิวตรอนโดยธรรมชาติผ่าน β+-สลายตัว

การสลายตัวของเบตาสองครั้งเกิดขึ้นเมื่อโปรตอน 2 ตัวในนิวเคลียสถูกแปลงเป็น 2 นิวตรอนพร้อมกันหรือในทางกลับกัน ส่งผลให้เกิดการปล่อยอิเล็กตรอน-แอนตินิวตริโน 2 ตัวและอนุภาคบีตา 2 ตัว ในสมมุติฐานการสลายตัวของนิวตริโนเลสดับเบิ้ลบีตา จะไม่มีการผลิตนิวตริโน

จับอิเล็กทรอนิกส์

โปรตอนสามารถเปลี่ยนเป็นนิวตรอนผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการจับอิเล็กตรอนหรือ K-capture เมื่อนิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนมากเกินไปเมื่อเทียบกับจำนวนนิวตรอน ตามกฎแล้ว อิเล็กตรอนจากเปลือกอิเล็กตรอนภายในดูเหมือนว่าจะตกลงไปในนิวเคลียส อิเล็กตรอนของวงโคจรถูกจับโดยนิวเคลียสหลักซึ่งเป็นผลมาจากนิวเคลียสของลูกสาวและนิวตริโน เลขอะตอมของนิวเคลียสลูกสาวที่เกิดจะลดลง 1 แต่จำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดยังคงเท่าเดิม

ปฏิกิริยาฟิวชั่น

พลังที่อ่อนแอเกี่ยวข้องกับนิวเคลียร์ฟิวชัน ปฏิกิริยาที่ให้พลังงานกับระเบิดจากดวงอาทิตย์และไฮโดรเจน (ไฮโดรเจน)

ขั้นตอนแรกในการหลอมไฮโดรเจนคือการชนกันของสองโปรตอนที่มีกำลังเพียงพอที่จะเอาชนะแรงผลักซึ่งกันและกันที่เกิดจากปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า

หากวางอนุภาคทั้งสองไว้ใกล้กัน ปฏิกิริยาที่รุนแรงสามารถจับอนุภาคเหล่านี้ได้ สิ่งนี้จะสร้างฮีเลียมในรูปแบบที่ไม่เสถียร (²He) ซึ่งมีนิวเคลียสที่มีโปรตอนสองตัว ซึ่งต่างจากรูปแบบเสถียร (^{4He) ซึ่งมีนิวตรอนสองตัวและโปรตอนสองตัว}

ขั้นตอนต่อไปคือการโต้ตอบที่อ่อนแอ เนื่องจากมีโปรตอนมากเกินไป หนึ่งในนั้นจึงผ่านการสลายตัวของเบต้า หลังจากนั้น ปฏิกิริยาอื่นๆ รวมทั้งการก่อตัวขั้นกลางและการหลอมรวม ³เขา ในที่สุดก็กลายเป็นคอกม้า ^4เขา