Слабата сила е една от четирите фундаментални сили, които управляват цялата материя във Вселената. Другите три са гравитацията, електромагнетизма и силната сила. Докато другите сили държат нещата заедно, слабата сила играе голяма роля в разбиването им.
Слабата сила е по-силна от гравитацията, но е ефективна само на много малки разстояния. Силата действа на субатомно ниво и играе критична роля в осигуряването на енергия на звездите и създаването на елементите. Той е отговорен и за по-голямата част от естествената радиация във Вселената.
Теория на Ферми
Италианският физик Енрико Ферми разработи теория през 1933 г., за да обясни бета разпада, процеса на превръщане на неутрон в протон и изхвърляне на електрон, често наричан в този контекст като бета частица. Той идентифицира нов тип сила, така наречената слаба сила, която е отговорна за разпадането, фундаменталния процес на трансформация на неутрон в протон, неутрино и електрон, който по-късно е идентифициран като антинеутрино.
Ферми първоначалнопредположи, че има нулево разстояние и адхезия. Двете частици трябваше да са в контакт, за да действа силата. Оттогава беше разкрито, че слабата сила всъщност е сила на привличане, която се проявява на изключително кратко разстояние, равно на 0,1% от диаметъра на протона.
Електрослаба сила
При радиоактивни разпада слабата сила е приблизително 100 000 пъти по-малка от електромагнитната сила. Сега обаче е известно, че е по същество равно на електромагнитното и се смята, че тези две очевидно различни явления са проявления на една единствена електрослаба сила. Това се потвърждава от факта, че те се комбинират при енергии по-големи от 100 GeV.
Понякога казват, че слабото взаимодействие се проявява в разпадането на молекулите. Междумолекулните сили обаче са от електростатичен характер. Те са открити от ван дер Ваалс и носят неговото име.
Стандартен модел
Слабото взаимодействие във физиката е част от стандартния модел - теорията на елементарните частици, която описва фундаменталната структура на материята с помощта на набор от елегантни уравнения. Според този модел елементарните частици, тоест това, което не може да бъде разделено на по-малки части, са градивните елементи на Вселената.
Една от тези частици е кваркът. Учените не предполагат съществуването на нещо по-малко, но все още търсят. Има 6 вида или разновидности на кварки. Нека ги поставим в редувеличение на масата:
- горе;
- по-ниско;
- странно;
- омагьосана;
- очарователен;
- вярно.
В различни комбинации те образуват много различни видове субатомни частици. Например, протоните и неутроните - големи частици от атомното ядро - всеки се състои от три кварка. Горните две и долната съставляват протон. Горната и две долни образуват неутрон. Промяната на вида на кварка може да промени протон в неутрон, като по този начин превърне един елемент в друг.
Друг тип елементарни частици е бозон. Тези частици са носители на взаимодействие, които се състоят от енергийни лъчи. Фотоните са един вид бозони, глуоните са друг. Всяка от тези четири сили е резултат от обмен на носители на взаимодействие. Силното взаимодействие се осъществява от глуона, а електромагнитното взаимодействие от фотона. Гравитонът теоретично е носител на гравитацията, но не е открит.
W- и Z-бозони
Слабо взаимодействие се носи от W- и Z-бозони. Тези частици са предсказани от нобеловите лауреати Стивън Уайнбърг, Шелдън Салам и Абдус Глешоу през 60-те години на миналия век и открити през 1983 г. в Европейската организация за ядрени изследвания CERN.
W-бозоните са електрически заредени и се обозначават със символите W+ (положително заредени) и W- (отрицателно заредени). W-бозонът променя състава на частиците. Чрез излъчване на електрически зареден W бозон, слабата сила променя вида на кварка, правейки протонв неутрон или обратно. Това е, което причинява ядрен синтез и кара звездите да горят.
Тази реакция създава по-тежки елементи, които в крайна сметка се изхвърлят в космоса от експлозии на свръхнова, за да се превърнат в градивни елементи на планети, растения, хора и всичко останало на Земята..
Неутрален ток
Z-бозонът е неутрален и носи слаб неутрален ток. Взаимодействието му с частиците е трудно за откриване. Експерименталните търсения на W- и Z-бозони през 60-те години на миналия век доведоха учените до теория, която съчетава електромагнитните и слабите сили в един единствен "електрослаб". Теорията обаче изискваше частиците носители да са безтегловни и учените знаеха, че теоретично W бозонът би трябвало да бъде тежък, за да обясни своя къс обхват. Теоретиците приписват масата W на невидим механизъм, наречен Хигс механизъм, който осигурява съществуването на Хигс бозона.
През 2012 г. ЦЕРН съобщи, че учени, използващи най-големия ускорител в света, Големия адронен колайдер, са наблюдавали нова частица, „съответстваща на бозона на Хигс“.
Beta Decay
Слабото взаимодействие се проявява в β-разпад - процесът, при който протонът се превръща в неутрон и обратно. Това се случва, когато в ядро с твърде много неутрони или протони един от тях се преобразува в друг.
Бета разпада може да се случи по един от двата начина:
- В минус бета разпад, понякога се пише катоβ− -разпадане, неутронът се разделя на протон, антинеутрино и електрон.
- Слабото взаимодействие се проявява в разпадането на атомните ядра, понякога записвано като β+-разпад, когато протонът се разделя на неутрон, неутрино и позитрон.-разпад.
Един от елементите може да се превърне в друг, когато един от неговите неутрони спонтанно се превърне в протон чрез минус бета разпад, или когато един от неговите протони спонтанно се превърне в неутрон чрез β+-разпадане.
Двойният бета разпад възниква, когато 2 протона в ядрото се трансформират едновременно в 2 неутрона или обратно, което води до излъчване на 2 електрон-антинеутрино и 2 бета частици. При хипотетичен двоен бета разпад без неутрино, неутрино не се произвеждат.
Електронно заснемане
Протон може да се превърне в неутрон чрез процес, наречен улавяне на електрон или K-улавяне. Когато ядрото има излишък от броя на протоните спрямо броя на неутроните, електронът, като правило, от вътрешната електронна обвивка изглежда пада в ядрото. Електронът на орбиталата се улавя от родителското ядро, чиито продукти са дъщерното ядро и неутриното. Атомният номер на полученото дъщерно ядро намалява с 1, но общият брой на протоните и неутроните остава същият.
Реакция на синтез
Слабата сила участва в ядрения синтез, реакцията, която захранва слънцето и термоядрените (водородни) бомби.
Първата стъпка в синтеза на водород е сблъсъкът на двепротони с достатъчна сила, за да преодолеят взаимното отблъскване, което изпитват поради тяхното електромагнитно взаимодействие.
Ако и двете частици са поставени близо една до друга, силното взаимодействие може да ги свърже. Това създава нестабилна форма на хелий (2He), която има ядро с два протона, за разлика от стабилната форма (4He), който има два неутрона и два протона.
Следващата стъпка е слабото взаимодействие. Поради излишък от протони, един от тях претърпява бета-разпад. След това други реакции, включително междинно образуване и сливане 3He, в крайна сметка формират стабилен 4He.
