Den svaga kraften är en av de fyra grundläggande krafterna som styr all materia i universum. De andra tre är gravitation, elektromagnetism och den starka kraften. Medan andra krafter håller ihop saker spelar en svag kraft en stor roll i att bryta ner dem.
Den svaga kraften är starkare än gravitationen, men den är effektiv endast på mycket små avstånd. Kraften verkar på subatomär nivå och spelar en avgörande roll för att ge energi till stjärnorna och skapa elementen. Den är också ansvarig för det mesta av den naturliga strålningen i universum.
Fermi Theory
Den italienske fysikern Enrico Fermi utvecklade en teori 1933 för att förklara beta-sönderfall, processen att omvandla en neutron till en proton och stöta ut en elektron, ofta kallad i detta sammanhang som en beta-partikel. Han identifierade en ny typ av kraft, den så kallade svaga kraften, som var ansvarig för sönderfallet, den grundläggande processen för omvandlingen av en neutron till en proton, en neutrino och en elektron, som senare identifierades som en antineutrino.
Fermi ursprungligenantog att det var noll avstånd och vidhäftning. De två partiklarna var tvungna att vara i kontakt för att kraften skulle fungera. Det har sedan dess avslöjats att den svaga kraften faktiskt är en attraktionskraft som visar sig över ett extremt kort avstånd, lika med 0,1 % av en protons diameter.
Electroweak force
Vid radioaktiva sönderfall är den svaga kraften ungefär 100 000 gånger mindre än den elektromagnetiska kraften. Men det är nu känt att det i sig är lika med det elektromagnetiska, och dessa två uppenbarligen distinkta fenomen anses vara manifestationer av en enda elektrosvag kraft. Detta bekräftas av det faktum att de kombineras vid energier större än 100 GeV.
Ibland säger de att den svaga interaktionen visar sig i molekylernas förfall. Emellertid är intermolekylära krafter av elektrostatisk natur. De upptäcktes av van der Waals och bär hans namn.
Standardmodell
Svag interaktion i fysik är en del av standardmodellen - teorin om elementarpartiklar, som beskriver materiens grundläggande struktur med hjälp av en uppsättning eleganta ekvationer. Enligt denna modell är elementarpartiklar, det vill säga det som inte kan delas upp i mindre delar, universums byggstenar.
En av dessa partiklar är kvarken. Forskare antar inte att det finns något mindre, men de letar fortfarande. Det finns 6 typer eller varianter av kvarkar. Låt oss ställa dem i ordningmassökning:
- top;
- lower;
- konstig;
- förtrollad;
- bedårande;
- true.
I olika kombinationer bildar de många olika sorters subatomära partiklar. Till exempel består protoner och neutroner - stora partiklar i atomkärnan - av tre kvarkar. De två översta och de nedre utgör en proton. De översta och två nedre bildar en neutron. Att ändra typen av kvark kan förändra en proton till en neutron och därigenom förvandla ett element till ett annat.
En annan typ av elementarpartiklar är en boson. Dessa partiklar är interaktionsbärare, som består av energistrålar. Fotoner är en typ av boson, gluoner är en annan. Var och en av dessa fyra krafter är resultatet av ett utbyte av interaktionsbärare. Den starka interaktionen utförs av gluonen och den elektromagnetiska interaktionen av fotonen. Gravitonen är teoretiskt tyngdkraftens bärare, men den har inte hittats.
W- och Z-bosons
Svag interaktion bärs av W- och Z-bosoner. Dessa partiklar förutspåddes av Nobelpristagarna Steven Weinberg, Sheldon Salam och Abdus Gleshow på 1960-talet och upptäcktes 1983 vid European Organization for Nuclear Research CERN.
W-bosoner är elektriskt laddade och betecknas med symbolerna W+ (positivt laddade) och W- (negativt laddade). W-boson ändrar sammansättningen av partiklar. Genom att avge en elektriskt laddad W-boson ändrar den svaga kraften typen av kvark, vilket gör en protontill en neutron eller vice versa. Det är detta som orsakar kärnfusion och får stjärnor att brinna.
Denna reaktion skapar tyngre grundämnen som till slut kastas ut i rymden av supernovaexplosioner för att bli byggstenarna för planeter, växter, människor och allt annat på jorden.
Neutral ström
Z-boson är neutral och bär en svag neutralström. Dess interaktion med partiklar är svår att upptäcka. Experimentella sökningar efter W- och Z-bosoner på 1960-talet ledde vetenskapsmän till en teori som kombinerar de elektromagnetiska och svaga krafterna till en enda "elektroweak". Teorin krävde dock att bärarpartiklarna skulle vara viktlösa, och forskarna visste att teoretiskt sett skulle W-bosonen behöva vara tung för att förklara dess korta räckvidd. Teoretiker har tillskrivit massan W till en osynlig mekanism som kallas Higgs-mekanismen, som säkerställer existensen av Higgs-bosonen.
Under 2012 rapporterade CERN att forskare som använder världens största accelerator, Large Hadron Collider, hade observerat en ny partikel "motsvarande Higgs-bosonen."
Beta Decay
Svag interaktion manifesteras i β-sönderfall - processen där en proton förvandlas till en neutron och vice versa. Det uppstår när en kärna med för många neutroner eller protoner omvandlas till en annan.
Beta-sönderfall kan ske på ett av två sätt:
- I minus-beta-förfall, ibland skrivet somβ− -sönderfall, neutronen delas i en proton, en antineutrino och en elektron.
- Svag interaktion manifesteras i sönderfallet av atomkärnor, ibland skrivet som β+-sönderfall, när en proton delas i en neutron, neutrino och positron.
Ett av elementen kan förvandlas till ett annat när en av dess neutroner spontant förvandlas till en proton genom minus-beta-sönderfall, eller när en av dess protoner spontant förvandlas till en neutron genom β+-förfall.
Dubbelt beta-sönderfall inträffar när 2 protoner i kärnan samtidigt omvandlas till 2 neutroner eller vice versa, vilket resulterar i emission av 2 elektron-antineutrinos och 2 beta-partiklar. I en hypotetisk neutrinolös dubbel beta-sönderfall produceras inte neutriner.
Elektronisk bildtagning
En proton kan förvandlas till en neutron genom en process som kallas elektroninfångning eller K-infångning. När kärnan har ett överskott av antal protoner i förhållande till antalet neutroner, verkar elektronen, som regel, från det inre elektronskalet falla in i kärnan. Orbitalens elektron fångas upp av moderkärnan, vars produkter är dotterkärnan och neutrinon. Atomnumret för den resulterande dotterkärnan minskar med 1, men det totala antalet protoner och neutroner förblir detsamma.
Fusionsreaktion
Den svaga kraften är involverad i kärnfusion, reaktionen som driver solen och fusionsbomber (väte).
Det första steget i vätefusion är en kollision mellan tvåprotoner med tillräcklig kraft för att övervinna den ömsesidiga repulsion de upplever på grund av sin elektromagnetiska interaktion.
Om båda partiklarna placeras nära varandra kan stark interaktion binda dem. Detta skapar en instabil form av helium (2He), som har en kärna med två protoner, i motsats till den stabila formen (4He), som har två neutroner och två protoner.
Nästa steg är den svaga interaktionen. På grund av ett överskott av protoner genomgår en av dem beta-sönderfall. Därefter bildar andra reaktioner, inklusive mellanbildning och sammansmältning 3He, så småningom en stabil 4He.
