نیروی ضعیف یکی از چهار نیروی بنیادی است که بر تمام مواد در جهان حاکم است. سه مورد دیگر گرانش، الکترومغناطیس و نیروی قوی هستند. در حالی که سایر نیروها چیزها را کنار هم نگه می دارند، یک نیروی ضعیف نقش مهمی در از بین بردن آنها دارد.
نیروی ضعیف قویتر از گرانش است، اما فقط در فواصل بسیار کوچک مؤثر است. نیرو در سطح زیراتمی عمل می کند و نقش مهمی در تامین انرژی ستارگان و ایجاد عناصر دارد. همچنین مسئول بیشتر تشعشعات طبیعی در جهان است.
نظریه فرمی
فیزیکدان ایتالیایی انریکو فرمی در سال 1933 نظریه ای را برای توضیح واپاشی بتا، فرآیند تبدیل نوترون به پروتون و بیرون راندن الکترون، که اغلب در این زمینه به عنوان ذره بتا نامیده می شود، ارائه داد. او نوع جدیدی از نیرو را شناسایی کرد، به اصطلاح نیروی ضعیف، که مسئول واپاشی بود، فرآیند اساسی تبدیل نوترون به پروتون، نوترینو و الکترون، که بعداً به عنوان یک پاد نوترینو شناخته شد.
فرمی در اصلفرض کنید که فاصله و چسبندگی صفر وجود دارد. این دو ذره باید در تماس باشند تا نیرو عمل کند. از آن زمان مشخص شد که نیروی ضعیف در واقع یک نیروی جاذبه است که خود را در یک فاصله بسیار کوتاه، برابر با 0.1٪ قطر یک پروتون نشان می دهد.
نیروی ضعیف الکتریکی
در واپاشی های رادیواکتیو، نیروی ضعیف تقریباً 100000 بار کمتر از نیروی الکترومغناطیسی است. با این حال، اکنون مشخص شده است که ذاتاً برابر با الکترومغناطیسی است، و تصور می شود که این دو پدیده ظاهراً متمایز، مظاهر یک نیروی الکتریکی ضعیف هستند. این با این واقعیت تأیید می شود که آنها در انرژی های بیشتر از 100 گیگا ولت ترکیب می شوند.
گاهی می گویند که برهمکنش ضعیف در فروپاشی مولکول ها ظاهر می شود. با این حال، نیروهای بین مولکولی ماهیت الکترواستاتیکی دارند. آنها توسط ون دروالس کشف شدند و نام او را دارند.
مدل استاندارد
برهم کنش ضعیف در فیزیک بخشی از مدل استاندارد است - نظریه ذرات بنیادی، که ساختار بنیادی ماده را با استفاده از مجموعه ای از معادلات ظریف توصیف می کند. بر اساس این مدل، ذرات بنیادی، یعنی آن‌هایی که نمی‌توانند به قطعات کوچک‌تر تقسیم شوند، اجزای سازنده جهان هستند.
یکی از این ذرات کوارک است. دانشمندان وجود چیزی کمتر را فرض نمی کنند، اما همچنان در حال جستجو هستند. 6 نوع یا گونه کوارک وجود دارد. بیایید آنها را به ترتیب قرار دهیمافزایش جرم:
- بالا؛
- کمتر;
- عجیب؛
- طلسم؛
- شایان آور;
- درست.
در ترکیب های مختلف، آنها انواع مختلفی از ذرات زیر اتمی را تشکیل می دهند. به عنوان مثال، پروتون ها و نوترون ها - ذرات بزرگ هسته اتم - هر کدام از سه کوارک تشکیل شده اند. دو قسمت بالا و پایین یک پروتون را تشکیل می دهند. یکی از بالا و دو پایین یک نوترون تشکیل می دهند. تغییر نوع کوارک می تواند یک پروتون را به نوترون تبدیل کند و در نتیجه یک عنصر را به عنصر دیگر تبدیل کند.
نوع دیگری از ذرات بنیادی بوزون است. این ذرات حامل های متقابلی هستند که از پرتوهای انرژی تشکیل شده اند. فوتون ها یک نوع بوزون هستند، گلوئون ها نوع دیگر. هر یک از این چهار نیرو نتیجه تبادل حامل های متقابل است. برهم کنش قوی توسط گلوئون و برهمکنش الکترومغناطیسی توسط فوتون انجام می شود. گراویتون از نظر تئوری حامل گرانش است، اما پیدا نشده است.
بوزون W- و Z
برهم کنش ضعیف توسط بوزون های W و Z انجام می شود. این ذرات توسط برندگان جایزه نوبل استیون واینبرگ، شلدون سلام و عبدوس گلشو در دهه 1960 پیش‌بینی و در سال 1983 در سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای سرن کشف شدند.
بوزون‌های W دارای بار الکتریکی هستند و با نمادهای W+ (با بار مثبت) و W- (با بار منفی) نشان داده می شوند.. بوزون W ترکیب ذرات را تغییر می دهد. با انتشار یک بوزون W باردار الکتریکی، نیروی ضعیف نوع کوارک را تغییر می‌دهد و یک پروتون می‌سازد.به نوترون یا برعکس این همان چیزی است که باعث همجوشی هسته ای می شود و باعث سوختن ستاره ها می شود.
این واکنش عناصر سنگین تری ایجاد می کند که در نهایت توسط انفجارهای ابرنواختری به فضا پرتاب می شوند تا به بلوک های سازنده سیارات، گیاهان، مردم و هر چیز دیگری روی زمین تبدیل شوند.
جریان خنثی
Z-بوزون خنثی است و جریان خنثی ضعیفی دارد. تشخیص تعامل آن با ذرات دشوار است. جستجوهای تجربی برای بوزون های W و Z در دهه 1960 دانشمندان را به نظریه ای سوق داد که نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف را در یک "الکتری ضعیف" ترکیب می کند. با این حال، این نظریه مستلزم بی وزنی ذرات حامل بود و دانشمندان می دانستند که از نظر تئوری بوزون W باید سنگین باشد تا برد کوتاه آن را توضیح دهد. نظریه پردازان جرم W را به مکانیزم نامرئی به نام مکانیسم هیگز نسبت می دهند که وجود بوزون هیگز را فراهم می کند.
در سال 2012، سرن گزارش داد که دانشمندان با استفاده از بزرگترین شتاب دهنده جهان، برخورد دهنده بزرگ هادرون، ذره جدیدی را "مطابق با بوزون هیگز" مشاهده کرده اند.
واپاشی بتا
برهم کنش ضعیف در واپاشی β آشکار می شود - فرآیندی که در آن یک پروتون به نوترون تبدیل می شود و بالعکس. زمانی اتفاق می‌افتد که در هسته‌ای با تعداد زیادی نوترون یا پروتون، یکی از آنها به دیگری تبدیل شود.
پوسیدگی بتا می تواند به یکی از دو روش رخ دهد:
- در فروپاشی منهای بتا، گاهی اوقات به صورت نوشته می شودβ− - واپاشی، نوترون به یک پروتون، یک پادنوترینو و یک الکترون تقسیم می شود.
- برهم کنش ضعیف در فروپاشی هسته های اتم آشکار می شود، که گاهی اوقات به صورت β+-واپاشی نوشته می شود، زمانی که یک پروتون به نوترون، نوترینو و پوزیترون تقسیم می شود.-واپاشی.
وقتی یکی از نوترون های آن به طور خود به خود از طریق واپاشی منهای بتا به پروتون تبدیل شود، یا زمانی که یکی از پروتون های آن به طور خود به خود از طریق β+ به نوترون تبدیل شود، یکی از عناصر می تواند به عنصر دیگری تبدیل شود.-واپاشی.
واپاشی بتا مضاعف زمانی رخ می دهد که 2 پروتون در هسته به طور همزمان به 2 نوترون تبدیل شوند یا برعکس و در نتیجه 2 الکترون-آنتی نوترینو و 2 ذره بتا گسیل می شوند. در یک واپاشی دوگانه بتای بدون نوترینول فرضی، نوترینوها تولید نمی شوند.
عکسبرداری الکترونیکی
یک پروتون می تواند از طریق فرآیندی به نام جذب الکترون یا K-capture به نوترون تبدیل شود. هنگامی که هسته دارای تعداد پروتون های اضافی نسبت به تعداد نوترون ها باشد، به نظر می رسد که الکترون، به عنوان یک قاعده، از پوسته الکترونی داخلی به درون هسته می افتد. الکترون اوربیتال توسط هسته والد گرفته می شود که محصول آن هسته دختر و نوترینو است. عدد اتمی هسته دختر حاصل 1 کاهش می یابد، اما تعداد کل پروتون ها و نوترون ها ثابت می ماند.
واکنش فیوژن
نیروی ضعیف در همجوشی هسته ای نقش دارد، واکنشی که خورشید و بمب های همجوشی (هیدروژنی) را نیرو می دهد.
اولین مرحله در همجوشی هیدروژن، برخورد دو استپروتون ها با نیروی کافی برای غلبه بر دافعه متقابلی که به دلیل برهمکنش الکترومغناطیسی خود تجربه می کنند.
اگر هر دو ذره نزدیک به هم قرار گیرند، برهمکنش قوی می تواند آنها را به هم متصل کند. این یک شکل ناپایدار از هلیوم (2He) ایجاد می کند که دارای هسته ای با دو پروتون است، برخلاف شکل پایدار (4He) که دارای دو نوترون و دو پروتون است.
گام بعدی تعامل ضعیف است. به دلیل وجود بیش از حد پروتون، یکی از آنها دچار واپاشی بتا می شود. پس از آن، واکنش های دیگر، از جمله تشکیل میانی و همجوشی 3He، در نهایت یک 4He. او را تشکیل می دهند.
