Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, и играют решающую роль при образовании молекул, химических соединений, кристаллов.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, в силу чего электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным.

Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатом перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также их количества и состава атомов в молекулах разных веществ.

Электромагнитное взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но из-за существования положительных и отрицательных зарядов, силы притяжения и отталкивания в таких больших телах, как Солнце и Земля практически компенсируют друг друга. Однако в малых масштабах атомов и молекул электромагнитные силы доминируют. Сила кулоновского, электрического отталкивания двух электронов в 10⁴² раз больше величины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, “притягивающие” электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что сильное взаимодействие передается квантами поля ядерных сил – глюонами. Предполагается, что сильное ядерное взаимодействие удерживает кванты внутри нуклонов – протона и нейтрона, а протоны и нейтроны – внутри ядра.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи, определяемая работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. Ядерные силы являются короткодействующими: при расстояниях между нуклонами, превышающим 2×10^–13 см, действие их уже не обнаруживается. На расстояниях, меньших 10 ^–13 см, притяжение нуклонов сменяется отталкиванием. Сильное взаимодействие не зависит от зарядов нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, равны по величине. Это свойство называют зарядовой независимостью ядерных сил. Ядерные силы зависят от ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон удерживаются вместе, образуя ядро водорода, только в случае параллельной ориентации их спинов.

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Слабое взаимодействие является наименее интенсивным. Интенсивность слабого взаимодействия на 10¼11 порядков (в 10¹⁰¼10¹¹ раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10^–15 см. Оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Слабое взаимодействие существует между всеми частицами со спином 1/2 (фермионами) и отвечает за b–распад ядер, за многие распады элементарных частиц и за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Например, слабым взаимодействием объясняется процесс n ® p + e⁺ +n .

Слабое взаимодействие ответственно за многие микропроцессы, является необходимой стороной термоядерных реакций в звездах. Возникающие при этом нейтрино уносят значительную часть энергии излучения звезд (до 7%). Обладая огромной проникающей способностью, они слабо поглощаются веществом, постоянно накапливаются в космосе, и через создаваемые ими поля тяготения оказывают весьма существенное влияние на пространственно-временные отношения в гигантских космических масштабах.

Слабое взаимодействие является короткодействующим. Слабое взаимодействие переносится так называемыми слабыми бозонами.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия:

По данным табл. Видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая, поэтому радиус действия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие в классическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия.

В 1967 г. была предложена теория (Вайнберг, Салам), объединившая слабое взаимодействие с электромагнитным. Впоследствии эта теория была подтверждена экспериментально. Это явилось крупным шагом в познании микропроцессов. Перед физикой стоит важнейшая задача создания единой теории взаимодействий, включающих в себя также сильные, а в перспективе и гравитационные взаимодействия. По-видимому, такое "великое объединение" потребует синтеза теории элементарных частиц, научной космологии, релятивистской астрофизики. Только в сверхплотных состояниях вещества, в процессах гравитационного коллапса или, напротив, взрывного расширения черных дыр, в недрах квазаров и ядер галактик могут проявляться те физические условия, в которых возможны синтез и взаимное превращение четырех фундаментальных видов взаимодействий. Разработка единой теории всех известных фундаментальных взаимодействий позволит обеспечить концептуальную интеграцию современных данных о природе, хотя на этом физическая наука на закончится, ибо материя неисчерпаема и бесконечна в своей структуре, как практически необозримы пути технического применения физики и развития прикладных физических дисциплин.

Элементарные частицы

После того, как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых элементарных частиц, идея поиска таких фундаментальных частиц заняла главное место в их исследованиях. По-прежнему мысль ученых была направлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных частиц, названных элементарными.

Исторически электрон был первой элементарной частицей, открытой еще в конце прошлого века английским физиком Дж.Дж. Томсоном (1856–1940). В 1919 г. Резерфорд, бомбардируя атомы альфа-частицами, открыл протоны. В начале века был открыт фотон – квант света, в 1932 г. – нейтрон, а спустя четыре года – первая античастица – позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. В дальнейшем при исследовании космических лучей были обнаружены многие другие элементарные частицы. С начала 50-х годов основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью удалось открыть ряд античастиц, например антипротон. В 1970 и 1980-х годах поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц, которые стали называть "странными", "очарованными" и "красивыми".