Eine schwache Interaktion ist eine von vierfundamentale Kräfte, die alle Materie im Universum regieren. Die restlichen drei sind Schwerkraft, Elektromagnetismus und starke Wechselwirkung. Während andere Kräfte die Dinge zusammenhalten, spielt schwache Stärke eine große Rolle bei der Zerstörung.
Eine schwache Wechselwirkung ist stärker als die Schwerkraft, aber siewirksam nur auf sehr kurzen Strecken. Stärke wirkt auf subatomarer Ebene und spielt eine entscheidende Rolle bei der Energieversorgung von Sternen und der Schaffung von Elementen. Sie ist auch für einen Großteil der natürlichen Strahlung im Universum verantwortlich.
Fermi-Theorie
Der italienische Physiker Enrico Fermi im Jahr 1933Er entwickelte eine Theorie zur Erklärung des Beta-Zerfalls - den Prozess der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und der Verdrängung eines Elektrons, das in diesem Zusammenhang oft als Beta-Teilchen bezeichnet wird. Er definierte eine neue Art von Kraft, die sogenannte schwache Wechselwirkung, die für den Zerfall verantwortlich war, den grundlegenden Prozess der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton, ein Neutrino und ein Elektron, das später als Antineutrino definiert wurde.
Fermi schlug ursprünglich vor, dass es einen Platz gäbeNull Abstand und Griffigkeit. Zwei Partikel mussten in Kontakt sein, damit die Kraft wirken konnte. Seitdem stellte sich heraus, dass eine schwache Wechselwirkung tatsächlich eine Anziehungskraft ist, die sich in einer extrem kurzen Entfernung manifestiert, die 0,1% des Protonendurchmessers entspricht.
Elektroschwache Kraft
В радиоактивных распадах слабая сила ungefähr 100.000 mal weniger als elektromagnetisch. Es ist jedoch jetzt bekannt, dass es intern gleich elektromagnetisch ist, und es wird angenommen, dass diese beiden deutlich unterschiedlichen Phänomene Manifestationen einer einzelnen elektroschwachen Kraft sind. Dies wird durch die Tatsache bestätigt, dass sie sich bei Energien von mehr als 100 GeV verbinden.
Es wird manchmal gesagt, dass sich eine schwache Wechselwirkung im Zerfall von Molekülen manifestiert. Intermolekulare Kräfte sind jedoch elektrostatischer Natur. Sie wurden von van der Waals entdeckt und tragen seinen Namen.
Standardmodell
Eine schwache Interaktion in der Physik ist ein Teil vonStandardmodell - die Theorie der Elementarteilchen, die die Grundstruktur der Materie anhand eleganter Gleichungen beschreibt. Nach diesem Modell sind Elementarteilchen, dh solche, die nicht in kleinere Teile unterteilt werden können, die Bausteine des Universums.
Ein solches Teilchen ist ein Quark. Wissenschaftler nehmen nicht an, dass es weniger gibt, aber sie suchen immer noch. Es gibt 6 Arten oder Sorten von Quarks. Wir ordnen sie in der Reihenfolge zunehmender Masse:
- Oberer, höher;
- niedriger;
- seltsam;
- Fasziniert;
- charmant;
- wahr.
In verschiedenen Kombinationen bilden sie vieleverschiedene Arten von subatomaren Partikeln. So bestehen beispielsweise Protonen und Neutronen - große Teilchen eines Atomkerns - aus jeweils drei Quarks. Die beiden oberen und unteren bilden ein Proton. Die oberen und zwei unteren bilden ein Neutron. Eine Änderung der Art des Quarks kann ein Proton in ein Neutron verwandeln und dadurch ein Element in ein anderes umwandeln.
Eine andere Art von Elementarteilchen ist ein Boson.Diese Teilchen sind Wechselwirkungsträger, die aus Energiestrahlen bestehen. Photonen sind eine Art von Boson, Gluonen eine andere. Jede dieser vier Kräfte ist das Ergebnis eines Austauschs von Wechselwirkungsträgern. Eine starke Wechselwirkung wird durch Gluon und eine elektromagnetische Wechselwirkung - durch ein Photon - ausgeführt. Graviton ist theoretisch ein Schwerkraftträger, wurde aber nicht gefunden.
W- und Z-Bosonen
Eine schwache Wechselwirkung wird von W- und Z-Bosonen getragen.Diese Partikel wurden von den Nobelpreisträgern Steven Weinberg, Sheldon Salam und Abdus Gleshaw in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts vorhergesagt und 1983 bei der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN gefunden.
W-Bosonen sind elektrisch geladen und mit W bezeichnet+ (positiv geladen) und W.- (negativ geladen).Das W-Boson verändert die Zusammensetzung der Partikel. Durch die Emission eines elektrisch geladenen W-Bosons verändert eine schwache Kraft die Art des Quarks und verwandelt ein Proton in ein Neutron oder umgekehrt. Dies verursacht eine Kernfusion und lässt die Sterne brennen.
Diese Reaktion erzeugt schwerere Elemente,die letztendlich durch Supernova-Explosionen in den Weltraum geworfen werden, um Baumaterial für Planeten, Pflanzen, Menschen und alles andere auf der Erde zu werden.
Neutralstrom
Das Z-Boson ist neutral und führt einen schwachen neutralen Strom. Die Wechselwirkung mit Partikeln ist schwer zu erkennen. Experimentelle Suchen nach W- und Z-Bosonen in den 1960er Jahren führten Wissenschaftler zu einer Theorie, die elektromagnetische und schwache Kräfte zu einer einzigen "elektroschwachen" Kraft kombiniert. Die Theorie verlangte jedoch, dass die Trägerteilchen schwerelos waren, und die Wissenschaftler wussten, dass das W-Boson theoretisch schwer sein muss, um seine kurze Reichweite zu erklären. Theoretiker führten die Masse W auf einen unsichtbaren Mechanismus zurück, der als Higgs-Mechanismus bezeichnet wird und die Existenz des Higgs-Bosons beinhaltet.
2012 berichtete das CERN, dass Wissenschaftler, die den größten Beschleuniger der Welt, den Large Hadron Collider, verwendeten, ein neues Teilchen "entsprechend dem Higgs-Boson" beobachtet hatten.
Beta-Zerfall
Eine schwache Wechselwirkung äußert sich im β-Zerfall -Ein Prozess, bei dem sich ein Proton in ein Neutron verwandelt und umgekehrt. Es tritt auf, wenn in einem Kern mit zu vielen Neutronen oder Protonen eines von ihnen in das andere umgewandelt wird.
Der Beta-Zerfall kann auf zwei Arten erfolgen:
- Mit minus Beta-Zerfall, manchmal als β geschrieben- - -Zerfall, das Neutron spaltet sich in ein Proton, ein Antineutrino und ein Elektron.
- Die schwache Wechselwirkung manifestiert sich im Zerfall von Atomkernen, manchmal als β geschrieben+-Zerfall, wenn sich ein Proton in ein Neutron, Neutrino und Positron aufspaltet.
Eines der Elemente kann sich in ein anderes verwandeln,wenn eines seiner Neutronen über Minus-Beta-Zerfall spontan in ein Proton umgewandelt wird oder wenn eines seiner Protonen über β spontan in ein Neutron umgewandelt wird+-zerfallen.
Double Beta Decay tritt auf, wenn es 2 gibtProtonen werden gleichzeitig in 2 Neutronen umgewandelt oder umgekehrt, wodurch 2 Elektronen-Antineutrinos und 2 Beta-Teilchen emittiert werden. Bei einem hypothetischen neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall werden keine Neutrinos produziert.
Elektronische Erfassung
Ein Proton kann sich durch in ein Neutron verwandelnEin Prozess, der als Elektroneneinfang oder K-Einfang bezeichnet wird. Wenn im Kern ein Überschuss an Protonen im Verhältnis zur Anzahl der Neutronen vorhanden ist, scheint das Elektron aus der inneren Elektronenhülle in der Regel in den Kern zu fallen. Das Elektron des Orbitals wird vom Elternkern eingefangen, dessen Produkte der Tochterkern und die Neutrinos sind. Die Ordnungszahl des resultierenden Tochterkerns nimmt um 1 ab, aber die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bleibt gleich.
Thermonukleare Reaktion
Eine schwache Wechselwirkung ist an der Kernfusion beteiligt - eine Reaktion, die die Sonne und thermonukleare (Wasserstoff-) Bomben mit Energie versorgt.
Der erste Schritt bei der Wasserstofffusion ist die Kollision zweier Protonen mit ausreichender Kraft, um die gegenseitige Abstoßung aufgrund ihrer elektromagnetischen Wechselwirkung zu überwinden.
Wenn beide Partikel nahe beieinander platziert werden, kann eine starke Wechselwirkung sie binden. Dies erzeugt eine instabile Form von Helium (2Er), der im Gegensatz zur stabilen Form einen Kern mit zwei Protonen hat (4Nicht), das zwei Neutronen und zwei Protonen hat.
Im nächsten Schritt kommt eine schwache Interaktion ins Spiel. Aufgrund einer Überfülle an Protonen unterliegt eines von ihnen einem Beta-Zerfall. Danach andere Reaktionen, einschließlich Zwischenbildung und Fusion 3Wird letztendlich keinen Stall bilden 4Nicht.
