Den svake kraften er en av de fire grunnleggende kreftene som styrer all materie i universet. De tre andre er gravitasjon, elektromagnetisme og den sterke kraften. Mens andre krefter holder ting sammen, spiller en svak kraft en stor rolle i å bryte dem ned.
Den svake kraften er sterkere enn tyngdekraften, men den er effektiv bare på svært små avstander. Kraften opererer på subatomært nivå og spiller en kritisk rolle i å gi energi til stjernene og skape elementene. Den er også ansvarlig for det meste av den naturlige strålingen i universet.
Fermi Theory
Den italienske fysikeren Enrico Fermi utviklet en teori i 1933 for å forklare beta-forfall, prosessen med å konvertere et nøytron til et proton og drive ut et elektron, ofte omt alt i denne sammenhengen som en beta-partikkel. Han identifiserte en ny type kraft, den såk alte svake kraften, som var ansvarlig for forfall, den grunnleggende prosessen med transformasjonen av et nøytron til et proton, et nøytrino og et elektron, som senere ble identifisert som et antinøytrino.
Fermi opprinneligantatt at det var null avstand og vedheft. De to partiklene måtte være i kontakt for at kraften skulle virke. Det har siden blitt avslørt at den svake kraften faktisk er en tiltrekkende kraft som manifesterer seg over en ekstremt kort avstand, lik 0,1 % av diameteren til et proton.
Electroweak force
I radioaktive henfall er den svake kraften omtrent 100 000 ganger mindre enn den elektromagnetiske kraften. Imidlertid er det nå kjent for å være iboende lik den elektromagnetiske, og disse to tilsynelatende distinkte fenomenene antas å være manifestasjoner av en enkelt elektrosvak kraft. Dette bekreftes av det faktum at de kombineres ved energier større enn 100 GeV.
Noen ganger sier de at den svake interaksjonen manifesterer seg i forfallet av molekyler. Imidlertid er intermolekylære krefter av elektrostatisk karakter. De ble oppdaget av van der Waals og bærer navnet hans.
Standardmodell
Svak interaksjon i fysikk er en del av standardmodellen - teorien om elementærpartikler, som beskriver materiens grunnleggende struktur ved hjelp av et sett med elegante ligninger. I følge denne modellen er elementærpartikler, det vil si det som ikke kan deles i mindre deler, universets byggesteiner.
En av disse partiklene er kvarken. Forskere antar ikke eksistensen av noe mindre, men de leter fortsatt. Det er 6 typer eller varianter av kvarker. La oss sette dem i rekkefølgemasseøkning:
- topp;
- lower;
- rart;
- enchanted;
- bedårende;
- true.
I ulike kombinasjoner danner de mange forskjellige typer subatomære partikler. For eksempel består protoner og nøytroner - store partikler av atomkjernen - hver av tre kvarker. De to øverste og de nederste utgjør et proton. Den øverste og to nederste danner et nøytron. Å endre typen kvark kan endre et proton til et nøytron, og dermed gjøre ett element til et annet.
En annen type elementærpartikler er en boson. Disse partiklene er interaksjonsbærere, som består av energistråler. Fotoner er en type boson, gluoner er en annen. Hver av disse fire kreftene er et resultat av en utveksling av interaksjonsbærere. Den sterke interaksjonen utføres av gluonet, og den elektromagnetiske interaksjonen av fotonet. Graviton er teoretisk bæreren av tyngdekraften, men den er ikke funnet.
W- og Z-bosons
Svak interaksjon bæres av W- og Z-bosoner. Disse partiklene ble spådd av nobelprisvinnerne Steven Weinberg, Sheldon Salam og Abdus Gleshow på 1960-tallet og oppdaget i 1983 ved European Organization for Nuclear Research CERN.
W-bosoner er elektrisk ladet og er merket med symbolene W+ (positivt ladet) og W- (negativt ladet). W-boson endrer sammensetningen av partikler. Ved å sende ut et elektrisk ladet W-boson, endrer den svake kraften typen kvark, og lager et protontil et nøytron eller omvendt. Det er dette som forårsaker kjernefysisk fusjon og får stjerner til å brenne.
Denne reaksjonen skaper tyngre elementer som til slutt blir kastet ut i verdensrommet av supernovaeksplosjoner for å bli byggesteinene til planeter, planter, mennesker og alt annet på jorden.
Nøytral gjeldende
Z-boson er nøytral og har en svak nøytral strøm. Dens interaksjon med partikler er vanskelig å oppdage. Eksperimentelle søk etter W- og Z-bosoner på 1960-tallet førte forskerne til en teori som kombinerer de elektromagnetiske og svake kreftene til en enkelt "elektroweak". Teorien krevde imidlertid at bærerpartiklene var vektløse, og forskerne visste at teoretisk sett måtte W-bosonet være tungt for å forklare dets korte rekkevidde. Teoretikere har tilskrevet massen W til en usynlig mekanisme k alt Higgs-mekanismen, som sørger for eksistensen av Higgs-bosonet.
I 2012 rapporterte CERN at forskere som brukte verdens største akselerator, Large Hadron Collider, hadde observert en ny partikkel "som tilsvarer Higgs-bosonet."
Beta Decay
Svak interaksjon manifesteres i β-forfall - prosessen der et proton blir til et nøytron og omvendt. Det oppstår når en av dem konverteres til en annen i en kjerne med for mange nøytroner eller protoner.
Beta-forfall kan skje på en av to måter:
- I minus-beta-forfall, noen ganger skrevet somβ− -forfall, nøytronet deler seg i et proton, et antinøytrino og et elektron.
- Svak interaksjon manifesteres i nedbrytning av atomkjerner, noen ganger skrevet som β+-forfall, når et proton deler seg i et nøytron, nøytrino og positron.
Et av grunnstoffene kan bli til et annet når et av dets nøytroner spontant blir til et proton gjennom minus-beta-forfall, eller når ett av dets protoner spontant blir til et nøytron gjennom β+-forfall.
Dobbelt beta-forfall oppstår når 2 protoner i kjernen samtidig transformeres til 2 nøytroner eller omvendt, noe som resulterer i utslipp av 2 elektron-antineutrinoer og 2 beta-partikler. I et hypotetisk nøytrinoløst dobbeltbeta-forfall produseres ikke nøytrinoer.
Elektronisk opptak
Et proton kan bli til et nøytron gjennom en prosess som kalles elektronfangst eller K-fangst. Når kjernen har et overflødig antall protoner i forhold til antall nøytroner, ser det som regel ut til at elektronet fra det indre elektronskallet faller inn i kjernen. Elektronet i orbitalen fanges opp av foreldrekjernen, hvis produkter er datterkjernen og nøytrinoen. Atomnummeret til den resulterende datterkjernen synker med 1, men det totale antallet protoner og nøytroner forblir det samme.
Fusjonsreaksjon
Den svake kraften er involvert i kjernefysisk fusjon, reaksjonen som driver solen og fusjons(hydrogen) bomber.
Det første trinnet i hydrogenfusjon er kollisjonen mellom toprotoner med tilstrekkelig kraft til å overvinne den gjensidige frastøtingen de opplever på grunn av deres elektromagnetiske interaksjon.
Hvis begge partiklene er plassert nær hverandre, kan sterk interaksjon binde dem. Dette skaper en ustabil form for helium (2He), som har en kjerne med to protoner, i motsetning til den stabile formen (4He), som har to nøytroner og to protoner.
Neste trinn er den svake interaksjonen. På grunn av et overskudd av protoner, gjennomgår en av dem beta-forfall. Etter det danner andre reaksjoner, inkludert mellomformasjon og fusjon 3He, til slutt en stabil 4He.
