Что Такое Сильная Сила?

{h1}

Сильная ядерная сила - одна из четырех фундаментальных сил в природе. Он отвечает за связывание фундаментальных частиц вещества с образованием более крупных частиц.

Сильная ядерная сила является одной из четырех фундаментальных сил в природе; другие три - гравитация, электромагнетизм и слабая сила. Как следует из названия, сильная сила самый сильный сила четырех. Он отвечает за связывание фундаментальных частиц вещества с образованием более крупных частиц.

Стандартная модель

Господствующей теорией физики элементарных частиц является Стандартная Модель, которая описывает основные строительные блоки материи и то, как они взаимодействуют. Теория была разработана в начале 1970-х годов; Со временем и благодаря многим экспериментам, согласно Европейской организации ядерных исследований, CERN утвердился в качестве хорошо проверенной теории физики.

Согласно Стандартной модели, одна из самых маленьких, наиболее фундаментальных частиц, то есть та, которая не может быть разделена на более мелкие части, - это кварк. Эти частицы являются строительными блоками класса массивных частиц, известных как адроны, которые включают протоны и нейтроны. Ученые не видели никаких признаков того, что есть что-то меньшее, чем кварк, но они все еще ищут.

Сильная сила была впервые предложена, чтобы объяснить, почему атомные ядра не разлетаются. Казалось, что они будут делать это из-за отталкивающей электромагнитной силы между положительно заряженными протонами, расположенными в ядре. Позже было обнаружено, что сильная сила не только удерживает ядра вместе, но также отвечает за связывание кварков, составляющих адроны.

«Сильные взаимодействия сил важны для… удержания адронов вместе», согласно «Четырем силам», материалу курса физики из Университета Дьюка. «Основное сильное взаимодействие удерживает составляющие кварки адрона вместе, а остаточная сила удерживает вместе адроны, такие как протон и нейтроны в ядре».

Кварки и адроны

Кварки были теоретизированы в 1964 году независимо друг от друга физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, а частицы были впервые обнаружены в Стэнфордской национальной лаборатории линейных ускорителей в 1968 году. Гелл-Манн выбрал название, которое, как говорят, произошло от стихотворения в роман "Пробуждение Финнегана" Джеймса Джойса:

«Три кварка для Мастера Марка!
Конечно, он не получил много коры,
И уверен, что у него есть все это за пределами отметки.
"

«Эксперименты на ускорителях частиц в 50-х и 60-х годах показали, что протоны и нейтроны являются просто представителями большого семейства частиц, которые теперь называются адронами. Более 100 [теперь более 200] адронов, иногда называемых« адронным зоопарком », имеют до сих пор было обнаружено «согласно Богдану Повху и др. в их книге« Частицы и ядра: введение в физические концепции »(Springer, 2008).

Ученые подробно описали способы, которыми кварки образуют эти адронные частицы. «Существует два типа адронов: барионы и мезоны», - пишет Лена Хансен в статье «Цветовая сила», опубликованной в Интернете Университетом Дьюка. «Каждый барион состоит из трех кварков, а каждый мезон состоит из кварка и антикварка», где антикварк является аналогом антивещества кварка, имеющего противоположный электрический заряд. Барионы - это класс частиц, состоящий из протонов и нейтронов. Мезоны - это короткоживущие частицы, образующиеся в ускорителях крупных частиц и при взаимодействии с космическими лучами высоких энергий.

Свойства кварка: вкус и цвет

Кварки бывают шести сортов, которые физики называют «ароматизаторами». В порядке увеличения массы, они упоминаются как вверх, вниз, странно, шарм, снизу и сверху. Кварки вверх и вниз стабильны и составляют протоны и нейтроны. Например, протон состоит из двух восходящих кварков и нисходящего кварка и обозначается как (uud).

Другие, более массивные ароматизаторы производятся только в высокоэнергетических взаимодействиях и имеют чрезвычайно короткие периоды полураспада. Они обычно наблюдаются в мезонах, которые могут содержать различные комбинации ароматов в виде пар кварк-антикварк. Последний из них, верхний кварк, был теоретизирован в 1973 году Макото Кобаяси и Тошихиде Маскавой, но его не наблюдали до 1995 года в эксперименте с ускорителем в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab). Кобаяси и Маскава были удостоены Нобелевской премии по физике за свои прогнозы.

У кварков есть другое свойство, также с шестью проявлениями. Это свойство было помечено как «цвет», но его не следует путать с общим пониманием цвета. Шесть проявлений называются красным, синим, зеленым, античным, анти-синим и анти-зеленым. Антицветы принадлежат, соответственно, антикваркам. Свойства цвета объясняют, как кварки могут подчиняться принципу исключения Паули, согласно которому никакие два одинаковых объекта не могут занимать одно и то же место, сказал Хансен. То есть кварки, составляющие один и тот же адрон, должны иметь разные цвета. Таким образом, все три кварка в барионе имеют разные цвета, и мезон должен содержать цветной кварк и антикварк соответствующего антицвета.

Глюоны

Сильная сила возникает в результате обмена частицами носителей силы, называемыми бозонами. Частицы материи передают энергию, обмениваясь бозонами друг с другом. Сильную силу несет тип бозона, называемый «глюон», названный так потому, что эти частицы функционируют как «клей», который удерживает ядро ​​и составляющие его барионы вместе. При притяжении между двумя кварками происходит странная вещь: сильная сила не уменьшается с расстоянием между двумя частицами, как электромагнитная сила; на самом деле он увеличивается, больше похож на растяжение механической пружины.

Как и в случае с механической пружиной, существует ограничение на расстояние, на которое два кварка могут быть отделены друг от друга, которое составляет около диаметра протона. Когда этот предел достигнут, огромная энергия, необходимая для достижения разделения, внезапно преобразуется в массу в форме пары кварк-антикварк. Это преобразование энергии в массу происходит в соответствии с известным уравнением Эйнштейна, Е = тс2или в этом случае м = Е / с2 - где Е это энергия, м это масса, и с это скорость света. Поскольку это преобразование происходит каждый раз, когда мы пытаемся отделить кварки друг от друга, свободные кварки не наблюдались и, как полагают, не существуют как отдельные частицы. Крис Квигг из Фермилаба утверждает, что в своей книге «Калибровочные теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий: второе издание» (издательство Princeton University Press, 2013) «окончательное наблюдение свободных кварков было бы революционным».

Стандартная модель - это совокупность теорий, которые описывают мельчайшие наблюдаемые в эксперименте частицы вещества и взаимодействия между энергией и веществом.

Стандартная модель - это совокупность теорий, которые описывают мельчайшие наблюдаемые в эксперименте частицы вещества и взаимодействия между энергией и веществом.

Предоставлено: Карл Тейт, художник по инфографике WordsSideKick.com.

Остаточная сила

Когда три кварка связаны друг с другом в протоне или нейтроне, сильная сила, создаваемая глюонами, в основном нейтрализуется, потому что почти все идет к соединению кварков вместе. В результате сила ограничена главным образом внутри частицы. Однако есть небольшая часть силы, которая действует вне протона или нейтрона. Эта часть силы может действовать между протоны и нейтроны, или «нуклоны». По словам Константиноса Г. Вайенаса и Стаматиоса Н.-А. Суэнти в своей книге «Гравитация, специальная теория относительности и сильная сила» (Springer, 2012) «стало очевидно, что сила между нуклонами является результатом или побочным эффектом более сильной и более фундаментальной силы, которая связывает кварки в протонах и нейтроны. " Этот «побочный эффект» называется «остаточной сильной силой» или «ядерной силой», и именно это удерживает атомные ядра вместе, несмотря на отталкивающую электромагнитную силу между положительно заряженными протонами, которая действует, чтобы раздвинуть их.

Однако, в отличие от сильной силы, остаточная сильная сила быстро падает на коротких расстояниях и является существенной только между соседними частицами внутри ядра. Однако отталкивающая электромагнитная сила падает медленнее, поэтому она действует по всему ядру. Следовательно, в тяжелых ядрах, особенно в атомных номерах больше 82 (свинец), в то время как ядерная сила на частице остается почти постоянной, общая электромагнитная сила на этой частице увеличивается с атомным номером до такой степени, что в конечном итоге она может толкнуть ядро Кроме. Как указывалось на веб-странице Национальной лаборатории Лоуренса и Беркли «Азбука ядерной науки», «деление можно рассматривать как« перетягивание каната »между сильной притягивающей ядерной силой и отталкивающей электростатической силой. В реакциях деления побеждает электростатическое отталкивание. "

Энергия, которая выделяется при разрыве остаточной сильной силовой связи, принимает форму высокоскоростных частиц и гамма-лучей, создающих то, что мы называем радиоактивностью. Столкновения с частицами в результате распада близлежащих ядер могут ускорить этот процесс, вызывая «ядерную цепную реакцию». Энергия от деления тяжелых ядер, таких как уран-235 и плутоний-239, - это то, что приводит в действие ядерные реакторы и атомные бомбы.

Ограничения Стандартной Модели

В дополнение ко всем известным и предсказанным субатомным частицам Стандартная Модель включает в себя сильные и слабые силы и электромагнетизм, а также объясняет, как эти силы действуют на частицы вещества. Тем не менее, теория не включает в себя гравитацию. Подгонка гравитационной силы в рамках модели на протяжении десятилетий ставила ученых в тупик. Но, согласно ЦЕРН, в масштабе этих частиц, эффект гравитации настолько мал, что модель работает хорошо, несмотря на исключение этой фундаментальной силы.

Дополнительные ресурсы

  • ЦЕРН: Стандартная модель
  • Частичное Приключение: Основы Материи и Силы
  • Современный физкультурный образовательный проект





RU.WordsSideKick.com
Все права защищены!
Перепечатка материалов разрешена только с простановкой активной ссылки на сайт RU.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RU.WordsSideKick.com