Die schwache Kraft ist eine der vier fundamentalen Kräfte, die alle Materie im Universum beherrschen. Die anderen drei sind Schwerkraft, Elektromagnetismus und die starke Kraft. Während andere Kräfte die Dinge zusammenh alten, spielt eine schwache Kraft eine große Rolle dabei, sie zu zerstören.
Die schwache Kraft ist stärker als die Schwerkraft, aber sie wirkt nur auf sehr kleine Distanzen. Die Macht wirkt auf subatomarer Ebene und spielt eine entscheidende Rolle bei der Energieversorgung der Sterne und der Erschaffung der Elemente. Es ist auch für den Großteil der natürlichen Strahlung im Universum verantwortlich.
Fermi-Theorie
Der italienische Physiker Enrico Fermi entwickelte 1933 eine Theorie zur Erklärung des Beta-Zerfalls, des Prozesses der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und der Ausstoßung eines Elektrons, das in diesem Zusammenhang oft als Beta-Teilchen bezeichnet wird. Er identifizierte eine neue Art von Kraft, die sogenannte schwache Kraft, die für den Zerfall verantwortlich ist, den grundlegenden Prozess der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton, ein Neutrino und ein Elektron, das später als Antineutrino identifiziert wurde.
Fermi ursprünglichdavon ausgegangen, dass es keinen Abstand und keine Haftung gibt. Die beiden Teilchen mussten sich berühren, damit die Kraft wirken konnte. Inzwischen hat sich herausgestellt, dass die schwache Kraft tatsächlich eine anziehende Kraft ist, die sich über eine extrem kurze Distanz manifestiert, die 0,1 % des Durchmessers eines Protons entspricht.
Elektroschwache Kraft
Bei radioaktiven Zerfällen ist die schwache Kraft etwa 100.000 mal kleiner als die elektromagnetische Kraft. Es ist jedoch jetzt bekannt, dass es dem elektromagnetischen intrinsisch gleich ist, und es wird angenommen, dass diese beiden scheinbar unterschiedlichen Phänomene Manifestationen einer einzigen elektroschwachen Kraft sind. Dies wird durch die Tatsache bestätigt, dass sie sich bei Energien von mehr als 100 GeV verbinden.
Manchmal sagt man, dass sich die schwache Wechselwirkung im Zerfall von Molekülen manifestiert. Zwischenmolekulare Kräfte sind jedoch elektrostatischer Natur. Sie wurden von van der Waals entdeckt und tragen seinen Namen.
Standardmodell
Schwache Wechselwirkung gehört in der Physik zum Standardmodell – der Theorie der Elementarteilchen, die den fundamentalen Aufbau der Materie mit einem Satz eleganter Gleichungen beschreibt. Elementarteilchen, also das, was sich nicht in kleinere Teile zerlegen lässt, sind nach diesem Modell die Bausteine des Universums.
Eines dieser Teilchen ist der Quark. Wissenschaftler gehen nicht davon aus, dass es weniger gibt, aber sie suchen immer noch. Es gibt 6 Arten oder Varietäten von Quarks. Bringen wir sie in OrdnungMassenzunahme:
- top;
- lower;
- seltsam;
- verzaubert;
- reizend;
- true.
In verschiedenen Kombinationen bilden sie viele verschiedene Arten subatomarer Teilchen. Beispielsweise bestehen Protonen und Neutronen – große Teilchen des Atomkerns – jeweils aus drei Quarks. Die oberen beiden und die unteren bilden ein Proton. Das obere und die beiden unteren bilden ein Neutron. Die Art des Quarks zu ändern, kann ein Proton in ein Neutron verwandeln, wodurch ein Element in ein anderes umgewandelt wird.
Eine andere Art von Elementarteilchen ist ein Boson. Diese Teilchen sind Wechselwirkungsträger, die aus Energiestrahlen bestehen. Photonen sind eine Art von Bosonen, Gluonen eine andere. Jede dieser vier Kräfte ist das Ergebnis eines Austauschs von Wechselwirkungsträgern. Die starke Wechselwirkung erfolgt durch das Gluon und die elektromagnetische Wechselwirkung durch das Photon. Das Graviton ist theoretisch der Träger der Gravitation, aber es wurde nicht gefunden.
W- und Z-Bosonen
Schwache Wechselwirkung wird von W- und Z-Bosonen getragen. Diese Teilchen wurden von den Nobelpreisträgern Steven Weinberg, Sheldon Salam und Abdus Gleshow in den 1960er Jahren vorhergesagt und 1983 bei der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN entdeckt.
W-Bosonen sind elektrisch geladen und werden mit den Symbolen W+ (positiv geladen) und W- (negativ geladen) bezeichnet.. W-Boson verändert die Zusammensetzung von Teilchen. Durch die Emission eines elektrisch geladenen W-Bosons verändert die schwache Kraft die Art des Quarks und erzeugt ein Protonin ein Neutron oder umgekehrt. Das verursacht Kernfusion und lässt Sterne brennen.
Diese Reaktion erzeugt schwerere Elemente, die schließlich durch Supernova-Explosionen in den Weltraum geschleudert werden, um die Bausteine von Planeten, Pflanzen, Menschen und allem anderen auf der Erde zu werden.
Nullstrom
Z-Boson ist neutral und trägt einen schwachen neutralen Strom. Seine Wechselwirkung mit Partikeln ist schwer nachzuweisen. Experimentelle Suchen nach W- und Z-Bosonen in den 1960er Jahren führten Wissenschaftler zu einer Theorie, die die elektromagnetischen und schwachen Kräfte zu einem einzigen „elektroschwachen“kombiniert. Die Theorie erforderte jedoch schwerelose Trägerteilchen, und die Wissenschaftler wussten, dass das W-Boson theoretisch schwer sein müsste, um seine kurze Reichweite zu erklären. Theoretiker haben die Masse W einem unsichtbaren Mechanismus namens Higgs-Mechanismus zugeschrieben, der für die Existenz des Higgs-Bosons sorgt.
Im Jahr 2012 berichtete CERN, dass Wissenschaftler, die den größten Beschleuniger der Welt, den Large Hadron Collider, benutzten, ein neues Teilchen beobachtet hatten, "das dem Higgs-Boson entspricht."
Betazerfall
Schwache Wechselwirkung manifestiert sich im β-Zerfall - dem Prozess, bei dem ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird und umgekehrt. Es tritt auf, wenn in einem Kern mit zu vielen Neutronen oder Protonen eines davon in ein anderes umgewandelt wird.
Beta-Zerfall kann auf zwei Arten auftreten:
- Im Minus-Beta-Zerfall, manchmal geschrieben alsβ− -Zerfall, das Neutron sp altet sich in ein Proton, ein Antineutrino und ein Elektron auf.
- Schwache Wechselwirkung manifestiert sich im Zerfall von Atomkernen, manchmal auch als β+-Zerfall geschrieben, wenn ein Proton in ein Neutron, ein Neutrino und ein Positron gesp alten wird.
Eines der Elemente kann sich in ein anderes verwandeln, wenn eines seiner Neutronen durch einen Minus-Beta-Zerfall spontan in ein Proton umgewandelt wird, oder wenn eines seiner Protonen durch β+ spontan in ein Neutron umgewandelt wird-Zerfall.
Doppelter Beta-Zerfall tritt auf, wenn 2 Protonen im Kern gleichzeitig in 2 Neutronen oder umgekehrt umgewandelt werden, was zur Emission von 2 Elektron-Antineutrinos und 2 Beta-Teilchen führt. Bei einem hypothetischen neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall werden keine Neutrinos produziert.
Elektronische Erfassung
Ein Proton kann sich durch einen Prozess namens Elektroneneinfang oder K-Einfang in ein Neutron verwandeln. Wenn der Kern im Verhältnis zur Anzahl der Neutronen einen Überschuss an Protonen hat, scheint das Elektron in der Regel aus der inneren Elektronenhülle in den Kern zu fallen. Das Elektron des Orbitals wird vom Mutterkern eingefangen, dessen Produkte der Tochterkern und das Neutrino sind. Die Ordnungszahl des entstehenden Tochterkerns verringert sich um 1, aber die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bleibt gleich.
Fusionsreaktion
Die schwache Kraft ist an der Kernfusion beteiligt, der Reaktion, die die Sonne und Fusionsbomben (Wasserstoff) antreibt.
Der erste Schritt bei der Wasserstofffusion ist die Kollision von zweienProtonen mit ausreichender Kraft, um die gegenseitige Abstoßung zu überwinden, die sie aufgrund ihrer elektromagnetischen Wechselwirkung erfahren.
Wenn beide Partikel nahe beieinander platziert werden, kann eine starke Wechselwirkung sie binden. Dadurch entsteht eine instabile Form von Helium (2He), die im Gegensatz zur stabilen Form (4He) einen Kern mit zwei Protonen hat., das zwei Neutronen und zwei Protonen hat.
Der nächste Schritt ist die schwache Wechselwirkung. Aufgrund eines Überschusses an Protonen unterliegt eines von ihnen einem Beta-Zerfall. Danach bilden andere Reaktionen, einschließlich Zwischenbildung und Fusion 3He, schließlich ein stabiles 4He.
