interaCţiuni Fundamentale. ClasiFiCarea partiCulelor elementare Proprietăţile și comportamentul multitudinii de particule elementare pot fi cercetate numai în procesele de interacţiune. În natură se realizează patru tipuri de interacţiuni care nu se reduc la altele mai simple. Acestea sunt interacţiunile tari (nucleare), electromagnetice, slabe și gravitaţionale. Ele au fost numite interacţiuni fundamentale. Mai cunoscute prin efectele produse sunt interacţiunile gravitaţionale și cele electromagnetice. Interacţiunile gravitaţionale au un caracter univer sal, se realizează cu participarea tuturor corpu rilor din Univers și sunt descrise de legea atracţiei universale a lui Newton. Mărimea forţelor de interacţiune este în funcţie de masele corpurilor ce interacţionează.
De aceea în lumea particulelor elementare de mase extrem de mici, forţele de interacţiune gravitaţională sunt neglijabile. Ele au un rol decisiv doar la interacţiunea obiectelor masive – stele, planete, asteroizi etc. Interacţiunile electromagnetice se produc între oricare particule încărcate electric într-un domeniu foarte extins de fenomene ale naturii. Datorită lor este posibilă existenţa atomilor și moleculelor, a forţelor de frecare și de elasticitate, a undelor electromagnetice, în particular, a luminii. Interacţiunile electromagnetice determină foarte multe proprietăţi ale substanţelor aflate în stare solidă, lichidă sau gazoasă, cauzează procesele de absorbţie și emisie a fotonilor de către atomi și molecule. Acţiunea forţelor coulombiene conduce la instabilitatea nucleelor cu numere de masă mari (datorită respingerii dintre protoni) și la apariţia fotonilor, ca rezultat al anihilării perechii electron–pozitron.
Interacţiunile tari sunt cele mai puternice dintre toate cele cunoscute. Datorită lor se realizează legătura dintre protoni și neutroni în nucleele atomilor. Toate procesele în care sunt antrenate interacţiunile tari se realizează cu viteze foarte mari, adică se produc într-un interval de timp foarte mic, de ordinul 10–22 s. Se manifestă la distanţe de ordinul 10–15 m și mai mici, de aceea mai sunt numite forţe cu rază mică de acţiune. La asemenea distanţe interacţiunile tari sunt de sute de ori mai puternice decât cele electromagnetice. Interacţiunile slabe sunt cele mai lente dintre toate interacţiunile care au loc în lumea particulelor elementare, se produc în intervale de timp de ordinul 10–10 s și mai mari. Ele au loc între orice particule elementare, cu excepţia fotonilor. Raza de acţiune a forţelor interacţiunilor slabe este foarte mică, de ordi nul 10–18 m. Interacţiunile slabe se produc în pro cesele cu participarea neutrinilor sau antineutrinilor, dar și în cele de dezintegrare a particulelor cu timpul mediu de viaţă mai mare de 10–10 s. S-a constatat că toate interacţiunile fundamentale se realizează conform unuia și aceluiași mecanism – prin schimbul de anumite particule purtătoare ale interacţiunii cercetate. Din această cauză ele au fost numite interacţiuni de schimb. De exemplu, inter acţiunea electromagnetică dintre particulele încăr cate are loc prin intermediul schimbului de fotoni – cuante ale câmpului electromagnetic. Teoria interacţiunii de schimb a fost confirmată prin descoperirea mezonilor π (pionilor), prin intermediul cărora se realizează interacţiunea dintre nucleonii nucleelor atomice. În anul 1957 a fost demonstrată teoretic existenţa unor particule grele, numite bozoni vectoriali, care aveau rolul de purtători ai interacţiunilor slabe, iar în 1983 ei au fost descope riţi experimental, astfel confirmându-se caracterul interacţiunii de schimb și pentru aceștia.
122
În teoria contemporană a gravitaţiei se demonstrează că și interacţiunea gravitaţională se manifestă ca o interacţiune de schimb, purtătorul acesteia fiind gravitonul – cuantă a câmpului gravitaţional, care, asemenea fotonului, este o particulă fără masă. Din cauza intensităţii foarte mici a interacţiunii gravita ţionale, până în prezent gravitonul încă nu a fost detectat experimental. Cercetările teoretice și experimentale efectuate în domeniul particulelor elementare au pus în evidenţă posibilitatea clasificării lor într-un sistem ordonat în funcţie de proprietăţile pe care le posedă. În funcţie de interacţiunea fundamentală realizată, în procesele cu participarea particulelor elementare, ele se împart în trei clase: fotoni, leptoni și hadroni. Din clasa fotonilor face parte o singură particulă elementară – fotonul. El nu are sarcină electrică, dar este purtătorul forţelor de interacţiune electromagnetică. Fotonul este stabil, are timpul de viaţă infinit de mare până la interacţiunea cu alte particule elementare. Prin intermediul fotonilor se obţine cea mai mare parte din informaţia despre natură: de la stările energetice ale atomilor și moleculelor până la radiaţia emisă de obiectele din spaţiul cosmic. În stare liberă fotonul poate fi considerat cea mai răs pândită particulă elementară din Univers. Particulele care nu participă la procesele de interacţiune tare se numesc leptoni. Clasa leptonilor conţine 12 particule elementare (6 particule și 6 antiparticule), care constituie 3 generaţii – electronul e– cu neutrinul electronic ve, miuonul µ– cu neutrinul miuonic vm și taonul τ– cu neutrinul taonic vτ. Atât miuonul, cât și taonul sunt particule instabile. Datorită energiilor de repaus mari, aceste particule se pot transforma în altele, de mase mai mici, caracte rizate de anumite impulsuri și energii cinetice. Cercetările experimentale și teoretice efectuate până în prezent demonstrează că leptonii nu au structură
internă. De aceea cei 12 leptoni, 6 particule (electronul, miuonul și taonul cu neutrinii lor) și 6 antiparticule respective, mai sunt numite particule fundamentale. Cea mai numeroasă clasă a particulelor elementare (peste 300) o constituie hadronii (de la gr. hadros „tare, puternic”). Procesele de transformare a hadronilor se realizează prin intermediul tuturor interacţiunilor fundamentale, însă la distanţe mici predomină inter acţiunile tari. Cu excepţia proto nului, care este o particulă stabilă, toţi hadronii sunt instabili, se dezintegrează. Dacă dezintegrarea se produce datorită interacţiunilor electromagnetice sau slabe, timpul mediu de viaţă este mai mare de 10–20 s, iar dacă pe seama celor tari, atunci în urma dezintegrării apar particulele numite rezonanţe cu timpul mediu de viaţă de ordinul 10–23 s. Hadronii se împart în mezoni (de la gr. mesos „mediu”) și barioni (de la gr. barys „greu”). La rândul lor, barionii se împart în nucleoni (protonul și neutronul) și hiperoni (particule mai grele decât nucleonii). În anul 1963, fizicienii americani Murray GellMann (n. 1929) și George Zweig (n. 1937) au emis ipoteza că hadronii sunt particule compuse. Conform acesteia, nucleonii, de exemplu, sunt compuși din trei parti cule mai mici încărcate electric, numite quarkuri. Existenţa lor a fost con firmată în anul 1969 în urma experimentului similar celui al lui Rutherford, care prin împrăștierea parti culelor α a demonstrat exis tenţa nucleului. La bombardarea protonilor și a neutro nilor cu electroni acceleraţi până la energii de 50 GeV, s-a constatat existenţa a trei sarcini puncti forme ce se deplasează liber în interiorul lor. Aceste sarcini punctiforme (particule) sunt quarkurile. Una dintre particularităţile caracteristice ale quar kurilor este sarcina electrică fracţionară. Deși teoria quarkurilor a fost confirmată experimental, până în prezent încă nu s-a observat niciun quark în stare liberă.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Care interacţiuni sunt numite fundamentale? Numi ţile. 2. Caracterizaţi fiecare interacţiune fundamentală şi indicaţi care particule iau parte la ele? 3. Ce reprezintă interacţiunea de schimb? 4. Care sunt particulele purtătoare ale fiecărei interacţiuni fundamentale? 5. Cum se clasifică particulele elementare în funcţie de interacţiunea fundamentală realizată?
6. Care sunt caracteristicile fotonului? 7. Care particule sunt numite leptoni? Enumeraţi leptonii din cele trei generaţii. 8. Care particule elementare se numesc hadroni? 9. Cum se clasifică hadronii
De aceea în lumea particulelor elementare de mase extrem de mici, forţele de interacţiune gravitaţională sunt neglijabile. Ele au un rol decisiv doar la interacţiunea obiectelor masive – stele, planete, asteroizi etc. Interacţiunile electromagnetice se produc între oricare particule încărcate electric într-un domeniu foarte extins de fenomene ale naturii. Datorită lor este posibilă existenţa atomilor și moleculelor, a forţelor de frecare și de elasticitate, a undelor electromagnetice, în particular, a luminii. Interacţiunile electromagnetice determină foarte multe proprietăţi ale substanţelor aflate în stare solidă, lichidă sau gazoasă, cauzează procesele de absorbţie și emisie a fotonilor de către atomi și molecule. Acţiunea forţelor coulombiene conduce la instabilitatea nucleelor cu numere de masă mari (datorită respingerii dintre protoni) și la apariţia fotonilor, ca rezultat al anihilării perechii electron–pozitron.
Interacţiunile tari sunt cele mai puternice dintre toate cele cunoscute. Datorită lor se realizează legătura dintre protoni și neutroni în nucleele atomilor. Toate procesele în care sunt antrenate interacţiunile tari se realizează cu viteze foarte mari, adică se produc într-un interval de timp foarte mic, de ordinul 10–22 s. Se manifestă la distanţe de ordinul 10–15 m și mai mici, de aceea mai sunt numite forţe cu rază mică de acţiune. La asemenea distanţe interacţiunile tari sunt de sute de ori mai puternice decât cele electromagnetice. Interacţiunile slabe sunt cele mai lente dintre toate interacţiunile care au loc în lumea particulelor elementare, se produc în intervale de timp de ordinul 10–10 s și mai mari. Ele au loc între orice particule elementare, cu excepţia fotonilor. Raza de acţiune a forţelor interacţiunilor slabe este foarte mică, de ordi nul 10–18 m. Interacţiunile slabe se produc în pro cesele cu participarea neutrinilor sau antineutrinilor, dar și în cele de dezintegrare a particulelor cu timpul mediu de viaţă mai mare de 10–10 s. S-a constatat că toate interacţiunile fundamentale se realizează conform unuia și aceluiași mecanism – prin schimbul de anumite particule purtătoare ale interacţiunii cercetate. Din această cauză ele au fost numite interacţiuni de schimb. De exemplu, inter acţiunea electromagnetică dintre particulele încăr cate are loc prin intermediul schimbului de fotoni – cuante ale câmpului electromagnetic. Teoria interacţiunii de schimb a fost confirmată prin descoperirea mezonilor π (pionilor), prin intermediul cărora se realizează interacţiunea dintre nucleonii nucleelor atomice. În anul 1957 a fost demonstrată teoretic existenţa unor particule grele, numite bozoni vectoriali, care aveau rolul de purtători ai interacţiunilor slabe, iar în 1983 ei au fost descope riţi experimental, astfel confirmându-se caracterul interacţiunii de schimb și pentru aceștia.
122
În teoria contemporană a gravitaţiei se demonstrează că și interacţiunea gravitaţională se manifestă ca o interacţiune de schimb, purtătorul acesteia fiind gravitonul – cuantă a câmpului gravitaţional, care, asemenea fotonului, este o particulă fără masă. Din cauza intensităţii foarte mici a interacţiunii gravita ţionale, până în prezent gravitonul încă nu a fost detectat experimental. Cercetările teoretice și experimentale efectuate în domeniul particulelor elementare au pus în evidenţă posibilitatea clasificării lor într-un sistem ordonat în funcţie de proprietăţile pe care le posedă. În funcţie de interacţiunea fundamentală realizată, în procesele cu participarea particulelor elementare, ele se împart în trei clase: fotoni, leptoni și hadroni. Din clasa fotonilor face parte o singură particulă elementară – fotonul. El nu are sarcină electrică, dar este purtătorul forţelor de interacţiune electromagnetică. Fotonul este stabil, are timpul de viaţă infinit de mare până la interacţiunea cu alte particule elementare. Prin intermediul fotonilor se obţine cea mai mare parte din informaţia despre natură: de la stările energetice ale atomilor și moleculelor până la radiaţia emisă de obiectele din spaţiul cosmic. În stare liberă fotonul poate fi considerat cea mai răs pândită particulă elementară din Univers. Particulele care nu participă la procesele de interacţiune tare se numesc leptoni. Clasa leptonilor conţine 12 particule elementare (6 particule și 6 antiparticule), care constituie 3 generaţii – electronul e– cu neutrinul electronic ve, miuonul µ– cu neutrinul miuonic vm și taonul τ– cu neutrinul taonic vτ. Atât miuonul, cât și taonul sunt particule instabile. Datorită energiilor de repaus mari, aceste particule se pot transforma în altele, de mase mai mici, caracte rizate de anumite impulsuri și energii cinetice. Cercetările experimentale și teoretice efectuate până în prezent demonstrează că leptonii nu au structură
internă. De aceea cei 12 leptoni, 6 particule (electronul, miuonul și taonul cu neutrinii lor) și 6 antiparticule respective, mai sunt numite particule fundamentale. Cea mai numeroasă clasă a particulelor elementare (peste 300) o constituie hadronii (de la gr. hadros „tare, puternic”). Procesele de transformare a hadronilor se realizează prin intermediul tuturor interacţiunilor fundamentale, însă la distanţe mici predomină inter acţiunile tari. Cu excepţia proto nului, care este o particulă stabilă, toţi hadronii sunt instabili, se dezintegrează. Dacă dezintegrarea se produce datorită interacţiunilor electromagnetice sau slabe, timpul mediu de viaţă este mai mare de 10–20 s, iar dacă pe seama celor tari, atunci în urma dezintegrării apar particulele numite rezonanţe cu timpul mediu de viaţă de ordinul 10–23 s. Hadronii se împart în mezoni (de la gr. mesos „mediu”) și barioni (de la gr. barys „greu”). La rândul lor, barionii se împart în nucleoni (protonul și neutronul) și hiperoni (particule mai grele decât nucleonii). În anul 1963, fizicienii americani Murray GellMann (n. 1929) și George Zweig (n. 1937) au emis ipoteza că hadronii sunt particule compuse. Conform acesteia, nucleonii, de exemplu, sunt compuși din trei parti cule mai mici încărcate electric, numite quarkuri. Existenţa lor a fost con firmată în anul 1969 în urma experimentului similar celui al lui Rutherford, care prin împrăștierea parti culelor α a demonstrat exis tenţa nucleului. La bombardarea protonilor și a neutro nilor cu electroni acceleraţi până la energii de 50 GeV, s-a constatat existenţa a trei sarcini puncti forme ce se deplasează liber în interiorul lor. Aceste sarcini punctiforme (particule) sunt quarkurile. Una dintre particularităţile caracteristice ale quar kurilor este sarcina electrică fracţionară. Deși teoria quarkurilor a fost confirmată experimental, până în prezent încă nu s-a observat niciun quark în stare liberă.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Care interacţiuni sunt numite fundamentale? Numi ţile. 2. Caracterizaţi fiecare interacţiune fundamentală şi indicaţi care particule iau parte la ele? 3. Ce reprezintă interacţiunea de schimb? 4. Care sunt particulele purtătoare ale fiecărei interacţiuni fundamentale? 5. Cum se clasifică particulele elementare în funcţie de interacţiunea fundamentală realizată?
6. Care sunt caracteristicile fotonului? 7. Care particule sunt numite leptoni? Enumeraţi leptonii din cele trei generaţii. 8. Care particule elementare se numesc hadroni? 9. Cum se clasifică hadronii
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu