Forța slabă este una dintre cele patru forțe fundamentale care guvernează întreaga materie din univers. Celel alte trei sunt gravitația, electromagnetismul și forța puternică. În timp ce alte forțe țin lucrurile împreună, o forță slabă joacă un rol important în distrugerea lor.
Forța slabă este mai puternică decât gravitația, dar este eficientă doar la distanțe foarte mici. Forța operează la nivel subatomic și joacă un rol critic în furnizarea de energie stelelor și crearea elementelor. De asemenea, este responsabil pentru cea mai mare parte a radiațiilor naturale din univers.
Teoria Fermi
Fizicianul italian Enrico Fermi a dezvoltat o teorie în 1933 pentru a explica dezintegrarea beta, procesul de conversie a unui neutron într-un proton și de expulzare a unui electron, adesea denumit în acest context particulă beta. El a identificat un nou tip de forță, așa-numita forță slabă, care a fost responsabilă de dezintegrare, procesul fundamental al transformării unui neutron într-un proton, un neutrin și un electron, care a fost identificat ulterior ca un antineutrin.
Fermi inițiala presupus că nu există distanță și aderență zero. Cele două particule trebuiau să fie în contact pentru ca forța să funcționeze. De atunci s-a dezvăluit că forța slabă este de fapt o forță atractivă care se manifestă pe o distanță extrem de scurtă, egală cu 0,1% din diametrul unui proton.
Forță electroslăbită
În dezintegrarile radioactive, forța slabă este de aproximativ 100.000 de ori mai mică decât forța electromagnetică. Cu toate acestea, acum se știe că este intrinsec egal cu cel electromagnetic, iar aceste două fenomene aparent distincte sunt considerate a fi manifestări ale unei singure forțe electroslabe. Acest lucru este confirmat de faptul că se combină la energii mai mari de 100 GeV.
Uneori se spune că interacțiunea slabă se manifestă în dezintegrarea moleculelor. Cu toate acestea, forțele intermoleculare sunt de natură electrostatică. Au fost descoperite de van der Waals și îi poartă numele.
Model standard
Interacțiunea slabă în fizică face parte din modelul standard - teoria particulelor elementare, care descrie structura fundamentală a materiei folosind un set de ecuații elegante. Conform acestui model, particulele elementare, adică cele care nu pot fi împărțite în părți mai mici, sunt blocurile de construcție ale universului.
Una dintre aceste particule este cuarcul. Oamenii de știință nu presupun existența a ceva mai puțin, dar încă caută. Există 6 tipuri sau varietăți de quarci. Să le punem în ordinecreșterea masei:
- top;
- mai jos;
- ciudat;
- încântat;
- adorabil;
- adevărat.
În diferite combinații, ele formează multe tipuri diferite de particule subatomice. De exemplu, protonii și neutronii - particule mari ale nucleului atomic - constau fiecare din trei quarci. Cele două de sus și cele de jos formează un proton. Cea de sus și cele două de jos formează un neutron. Schimbarea tipului de quarc poate schimba un proton într-un neutron, transformând astfel un element în altul.
Un alt tip de particule elementare este bosonul. Aceste particule sunt purtători de interacțiune, care constau din fascicule de energie. Fotonii sunt un tip de boson, gluonii sunt altul. Fiecare dintre aceste patru forțe este rezultatul unui schimb de purtători de interacțiune. Interacțiunea puternică este realizată de gluon, iar interacțiunea electromagnetică de foton. Gravitonul este teoretic purtătorul gravitației, dar nu a fost găsit.
W- și Z-bosoni
Interacțiunea slabă este purtată de bosonii W și Z. Aceste particule au fost prezise de laureații Nobel Steven Weinberg, Sheldon Salam și Abdus Gleshow în anii 1960 și descoperite în 1983 la Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară CERN.
W-bosonii sunt încărcați electric și sunt notați cu simbolurile W+ (încărcat pozitiv) și W- (încărcat negativ). Bosonul W modifică compoziția particulelor. Prin emiterea unui boson W încărcat electric, forța slabă schimbă tipul de quarc, formând un protonîntr-un neutron sau invers. Aceasta este ceea ce cauzează fuziunea nucleară și provoacă arderea stelelor.
Această reacție creează elemente mai grele care sunt în cele din urmă aruncate în spațiu de exploziile supernovei pentru a deveni blocurile de construcție ale planetelor, plantelor, oamenilor și a tuturor celorl alte lucruri de pe Pământ.
Curentul neutru
Z-bosonul este neutru și poartă un curent neutru slab. Interacțiunea sa cu particulele este dificil de detectat. Căutările experimentale ale bosonilor W și Z în anii 1960 i-au condus pe oamenii de știință la o teorie care combină forțele electromagnetice și cele slabe într-un singur „electroslab”. Cu toate acestea, teoria cerea ca particulele purtătoare să fie lipsite de greutate, iar oamenii de știință știau că, teoretic, bosonul W ar trebui să fie greu pentru a explica raza sa scurtă. Teoreticienii au atribuit masa W unui mecanism invizibil numit mecanism Higgs, care asigură existența bosonului Higgs.
În 2012, CERN a raportat că oamenii de știință care foloseau cel mai mare accelerator din lume, Large Hadron Collider, au observat o nouă particulă „corespunzătoare bosonului Higgs.”
Decadere beta
Interacțiunea slabă se manifestă în dezintegrarea β - procesul în care un proton se transformă într-un neutron și invers. Apare atunci când, într-un nucleu cu prea mulți neutroni sau protoni, unul dintre ei este transformat în altul.
Degradarea beta poate avea loc în unul dintre cele două moduri:
- În decadere minus-beta, uneori scris caβ− -dezintegrare, neutronul se împarte într-un proton, un antineutrin și un electron.
- Interacțiunea slabă se manifestă în dezintegrarea nucleelor atomice, uneori scrisă ca β+-desintegrare, atunci când un proton se împarte într-un neutron, neutrin și pozitron.
Unul dintre elemente se poate transforma în altul atunci când unul dintre neutronii săi se transformă spontan într-un proton prin descompunere minus-beta sau când unul dintre protonii săi se transformă spontan într-un neutron prin β+-degradare.
Dubla dezintegrare beta apare atunci când 2 protoni din nucleu sunt transformați simultan în 2 neutroni sau invers, rezultând emisia a 2 electroni-antineutrini și 2 particule beta. Într-o descompunere dublă beta ipotetică fără neutrini, neutrinii nu sunt produși.
Captură electronică
Un proton se poate transforma într-un neutron printr-un proces numit captarea electronilor sau captarea K. Când nucleul are un număr în exces de protoni în raport cu numărul de neutroni, electronul, de regulă, din învelișul electronilor interioare pare să cadă în nucleu. Electronul orbitalului este captat de nucleul părinte, ai cărui produse sunt nucleul fiu și neutrinul. Numărul atomic al nucleului fiică rezultat scade cu 1, dar numărul total de protoni și neutroni rămâne același.
Reacție de fuziune
Forța slabă este implicată în fuziunea nucleară, reacția care alimentează soarele și bombele de fuziune (hidrogen).
Primul pas în fuziunea hidrogenului este ciocnirea a doiprotoni cu forță suficientă pentru a depăși repulsia reciprocă pe care o experimentează datorită interacțiunii lor electromagnetice.
Dacă ambele particule sunt plasate aproape una de alta, o interacțiune puternică le poate lega. Aceasta creează o formă instabilă de heliu (2He), care are un nucleu cu doi protoni, spre deosebire de forma stabilă (4He), care are doi neutroni și doi protoni.
Următorul pas este interacțiunea slabă. Din cauza excesului de protoni, unul dintre ei suferă dezintegrare beta. După aceea, alte reacții, inclusiv formarea intermediară și fuziunea 3He, formează în cele din urmă un 4He. stabil.
