Сильное взаимодействие это кратко

Обновлено: 02.07.2024

СИ́ЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ, од­но из че­ты­рёх фун­да­мен­таль­ных взаи­мо­дей­ст­вий при­ро­ды, ин­тен­сив­ность ко­то­ро­го зна­чи­тель­но боль­ше, чем у др. ти­пов взаи­мо­дей­ст­вий – элек­тро­маг­нит­но­го, сла­бо­го и гра­ви­та­ци­он­но­го. С. в. обес­пе­чи­ва­ет ста­биль­ность ад­ро­нов и атом­ных ядер. Ра­нее под С. в. по­ни­мали взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду про­то­на­ми и ней­тро­на­ми яд­ра пу­тём об­ме­на пио­на­ми и др. ме­зо­на­ми. Это ес­те­ст­вен­но объ­яс­ня­ло ко­рот­ко­дей­ст­вие ядер­ных сил . Пер­вую тео­рию ядер­ных сил пред­ло­жил Х. Юка­ва в 1935. Да­лее ста­ло яс­но, что про­то­ны, ней­тро­ны, пи-ме­зо­ны и др. силь­но­взаи­мо­дей­ст­вую­щие час­ти­цы (ны­не их от­кры­то бо­лее ты­ся­чи) со­сто­ят из бо­лее фун­дам. час­тиц – квар­ков . Ис­тин­но фун­дам. С. в. ме­ж­ду квар­ка­ми осу­ще­ст­в­ля­ет­ся пу­тём об­ме­на глюо­на­ми – кван­та­ми глю­он­но­го по­ля (см. Кван­то­вая хро­мо­ди­на­ми­ка ), ана­ло­гич­но то­му, как элек­тро­маг­нит­ное взаи­мо­дей­ст­вие осу­ще­ст­в­ля­ет­ся об­ме­ном фо­то­на­ми – кван­та­ми элек­тро­маг­нит­но­го по­ля. Ядер­ные же взаи­мо­дей­ст­вия яв­ля­ют­ся вто­рич­ны­ми.

Си́льное ядерное взаимоде́йствие (цветово́е взаимоде́йствие, я́дерное взаимоде́йствие) — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны).

Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов — протоны и нейтроны) в ядрах.

Благодаря сильному взаимодействию образуются ядерные силы [⇨] , с помощью которых нуклоны могут образовывать стабильные системы — атомные ядра.

Фундаментальные физические взаимодействия: просто о сложном

Фундаментальной рубрике – фундаментальная тема. Постараемся рассказать о ней простым языком и кратко. Что такое физические взаимодействия, почему они важны, какие есть типы фундаментальных физических взаимодействий и их характеристики.

За студенческими новостями на злобу дня добро пожаловать на наш телеграм-канал.

Элементарные частицы: что это такое и какие они бывают

Начнем с самого начала. Все вокруг состоит из частиц. Грубо говоря, тем, что Земля – круглая, а небо – голубое, мы обязаны тому, как разные частицы с различными свойствами взаимодействуют между собой.

Элементарная частица – микрообъект субъядерного масштаба, который невозможно расщепить на более мелкие составные части.

Какие бывают элементарные частицы? По значению спина их делят на бозоны и фермионы. Но, конечно же, это далеко не все. Чтобы понять все многообразие частиц, вот небольшая схема с их классификацией.


Элементарных частиц насчитывается очень много. Так, стандартная модель насчитывает 61 частицу. А всего вместе с античастицами известно более 350 элементарных частиц. К тому же, ученые полагают, что существуют и неизвестные до сих пор частицы.

Понятие фундаментального физического взаимодействия

  1. Гравитационное взаимодействие.
  2. Слабое взаимодействие.
  3. Электромагнитное взаимодействие.
  4. Сильное взаимодействие.

Здесь они выстроены в порядке интенсивности. Вполне возможно, есть еще какое-то фундаментальное взаимодействие, о котором мы пока просто не знаем.

Пятым фундаментальным взаимодействием иногда называют Поле Хиггса. Подробнее об открытии знаменитого бозона Хиггса читайте в отдельной статье.

Рассмотрим каждое взаимодействие в хронологическом порядке.

Гравитационное взаимодействие

Его начали изучать одним из первых, а теория гравитации Ньютона на долгие годы легла в основу классической механики. Гравитация – уникальное и внезапно самое слабое из всех взаимодействий. Чем больше масса объекта, тем сильнее проявляется гравитация. Движение небесных тел и свободное падение происходят за счет гравитации, а гравитационное взаимодействие проявляется на огромных расстояниях. В масштабах микромира оно практически ничтожно.

Электромагнитное взаимодействие

Это основной вид взаимодействия между атомами, который начали активно изучать в 19 веке. Именно электромагнитная природа лежит в основе многих сил: упругости, трения и т.д. Исключение – сила тяжести, она является следствием гравитационного взаимодействия. Суть проявления электромагнитного взаимодействия описывается законом Кулона: между электрическими зарядами действуют силы притяжения и отталкивания.

Слабое взаимодействие

Уже с открытием радиоактивности и ядерных реакций ученые задумались: почему и благодаря какой силе ядро или составная частица распадаются? Логично было предположить, что за эти процессы ответственно еще одно взаимодействие, которое назвали слабым. Оно проявляется на расстояниях меньше атомного ядра.

Электромагнитное и слабое взаимодействие объединены теорией электрослабого взаимодействия.

Сильное взаимодействие

Ну ладно, с распадом разобрались. Но почему стабильные ядра атомов сами по себе не распадаются на протоны и нейтроны? Тем более, что положительные протоны в ядре должны отталкиваться друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия. Очевидно, здесь действует штука посильнее, и это – сильное взаимодействие, которое проявляется на совсем уж маленьких расстояниях внутри атомного ядра между нуклонами.

Конечно, здесь мы рассказали обо всем очень кратко и без единой формулы. Хотите разобраться глубже? Попробуйте почитать учебники по квантовой физике. Но будьте осторожны, учеными доказано, что они являются сильнодействующим снотворным. А если на каком-то этапе возникнут сложности, обращайтесь в профессиональный сервис помощи учащимся.


Сильное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил природы, другие три: электромагнитное, гравитационное и слабое взаимодействие.

Сильное ядерное взаимодействие мощное из взаимодействий. Однако, оно проявляется на малых расстояниях (10 −15 м, расстояния соизмеримы с размером ядра атома), связывает вместе кварки, а также связывает протоны и нейтроны в ядре атома. Частицами-носителями сильного ядерного взаимодействия по современным представлениям являются глюоны. Их всего 8 типов, каждый из которых имеет нулевую массу (масса покоя) и нулевой заряд. В отличие от обменных частиц других взаимодействий, глюоны могут взаимодействовать друг с другом через другой глюон.

Сильное ядерное взаимодействие была впервые описано японским ученым-физиком Хидеки Юкава в 1935 году с использованием обменных частиц — мезонов. Современное описание сильного взаимодействия дает квантовая хромодинамика. Квантовая хромодинамика входит в так называемую Стандартную модель, которая является суммой современных представлений о строении микромира, хотя и не может претендовать на завершенные знания, поскольку не объясняет результатов некоторых экспериментов и не включает в себя теорию гравитации.

Частицы, состоящие из кварков и которые могут взаимодействовать сильно, называются адронами.

Содержание

После открытия нуклонов — протонов и нейтронов, стало ясно, что они содержатся в атомном ядре силами, отличными от известных к тому времени сил природы — электромагнитных и гравитационных. Протоны, из которых состоят ядра, заряжены одинаково, и, очевидно, существует сила, которая должна противодействовать этому отталкиванию. Однако, исследования ядерных реакций показали, что некоторые процессы происходят быстро, с характерным временем порядка 10 −23 с, а другие процессы — сравнительно медленно, с характерным временем порядка 10 −10 секунды, и стало ясно, что в мире ядер и элементарных частиц существуют два различных взаимодействия, которые назвали сильным и слабым.

Первую теорию сильного взаимодействия построил Хидеки Юкава в 1935 году. Он допустил существование новых частиц, мезонов, которые являются носителями сильного взаимодействия. В 1947 году такие частицы (а именно пи-мезоны) были открыты в космических лучах. По этой теории радиус действия сильного взаимодействия ограничен расстояниями порядка размеров ядерного ядра, то есть примерно 10 −13 см. Это связано с нестабильностью мезонов, которые распадаются, пролетев такое расстояние.

В шестидесятых годах общее число открытых адронов приблизилось к нескольким десяткам. Хотя все они, без сомнения, были различными частицами, однако можно было заметить некоторые закономерности в их свойствах. Это, вкупе с большим количеством, привело к мысли о неэлементарности адронов. В 1961 году Марри Гелл-Манн предложил классификацию адронов на основе группы симметрий SU(3), а в 1964 году он же вместе с Джорджем Цвейгом развили эту идею, разработав кварковую теорию строения адронов. Эта гипотеза подтвердилась в 1968 году во время стэндфордских экспериментов по рассеянию.

Второй особенностью является то, что глюоны, которые являются носителями сильного взаимодействия, в отличие от, например, электромагнитного взаимодействия, кванты которого (фотоны), электрически нейтральные, имеют цветной заряд.

Сейчас известны следующие частицы, участвующие в сильном взаимодействии: шесть видов кварков, каждый из которых может иметь один из трех цветов, и глюон, (может иметь восемь вариантов окраски), который является носителем взаимодействия.

Существует шесть частиц, называемых кварками:

  • Верхний кварк (u-кварк)
  • Нижний кварк (d-кварк)
  • Странный кварк (s-кварк)
  • Волшебный кварк (c-кварк)
  • Красивый кварк (b-кварк)
  • Истинный кварк (t-кварк)

u-кварк является самым легким из них, а t-кварк — тяжелым. Сорта кварков также называются ароматами. Все кварки являются фермионами со спином 1/2. Цветной заряд всех кварков одинаков по величине.

Одной из особенностей кварков является заряд, не кратный заряду электрона — разные кварки имеют абсолютную величину заряда равную 1/3 и 2/3 от заряда электрона. Однако из-за того, что свободные кварки не могут существовать отдельно, такие заряды не наблюдаются.

Глюоны являются носителями сильного взаимодействия. Как и носители других взаимодействий, глюоны являются бозонами — спин глюонов равен 1. Глюон имеет нулевую массу и нулевой электрический заряд. Поскольку глюон имеет цветной заряд, то он меняет заряд кварка, что его излучил, и кварка, что его поглотил, а также может излучать и поглощать другие глюоны. [2] Существует восемь вариантов окраски глюонов, соответствующих матрицам Гелл-Манна, которые в свою очередь, являются линейно независимыми матрицами с определителем 1: [3]

  • [math]g_1=(r\bar+b\bar)/\sqrt[/math]
  • [math]g_2=-i(r\bar-b\bar)/\sqrt[/math]
  • [math]g_3=(r\bar-b\bar)/\sqrt[/math]
  • [math]g_4=(r\bar+g\bar)/\sqrt[/math]
  • [math]g_5=-i(r\bar-g\bar)/\sqrt[/math]
  • [math]g_6=(b\bar+g\bar)/\sqrt[/math]
  • [math]g_7=-i(b\bar-g\bar)/\sqrt[/math]
  • [math]g_8=(r\bar+b\bar-2g\bar)/\sqrt[/math]

Эти глюоны создают восемь различных глюонных полей, которые превращаются друг на друга при поворотах в пространстве цветов.

Как можно видеть, глюоны три и восемь не имеют цвета. Такие глюоны являются собственными античастицами. Благодаря им кварки одного цвета также взаимодействуют между собой.

Математически теория сильного взаимодействия является калибровочной теорией, построенной на группе симметрии SU(3). Соответствующая калибровочная инвариантность — это инвариантность относительно вращений в пространстве цветов. Группа SU(3) это группа матриц 3x3 с единичным определителем. Инфинитезимальные генераторы этой группы представляются (как вариант) матрицами Гелл-Манна. Этих матриц всего восемь, определяющих число возможных глюонов.

Группа SU(3) является неабелевой, то есть превращение в ней не является коммутативным. Именно с этим связано наличие цвета у глюонов. Также, неабелевость полей КХД означает, что глюонные поля являются полями Янга-Миллса.

Читайте также: