Slabá síla je jednou ze čtyř základních sil, které řídí veškerou hmotu ve vesmíru. Dalšími třemi jsou gravitace, elektromagnetismus a silná síla. Zatímco jiné síly drží věci pohromadě, slabá síla hraje velkou roli v jejich rozkladu.
Slabá síla je silnější než gravitace, ale je účinná pouze na velmi malé vzdálenosti. Síla působí na subatomární úrovni a hraje klíčovou roli při poskytování energie hvězdám a vytváření prvků. Je také zodpovědná za většinu přirozeného záření ve vesmíru.
Fermiho teorie
Italský fyzik Enrico Fermi vyvinul v roce 1933 teorii k vysvětlení beta rozpadu, procesu přeměny neutronu na proton a vypuzení elektronu, často označovaného v této souvislosti jako beta částice. Identifikoval nový typ síly, takzvanou slabou sílu, která byla zodpovědná za rozpad, základní proces přeměny neutronu na proton, neutrino a elektron, který byl později identifikován jako antineutrino.
Původně Fermipředpokládalo, že byla nulová vzdálenost a adheze. Aby síla působila, musely být obě částice v kontaktu. Od té doby se ukázalo, že slabá síla je ve skutečnosti přitažlivá síla, která se projevuje na extrémně krátkou vzdálenost, rovnou 0,1 % průměru protonu.
Elektroslabá síla
Při radioaktivních rozpadech je slabá síla přibližně 100 000krát menší než síla elektromagnetická. Nyní je však známo, že se bytostně rovná elektromagnetickému a tyto dva zjevně odlišné jevy se považují za projevy jediné elektroslabé síly. To potvrzuje skutečnost, že se spojují při energiích vyšších než 100 GeV.
Někdy říkají, že slabá interakce se projevuje rozpadem molekul. Mezimolekulární síly jsou však elektrostatické povahy. Objevil je van der Waals a nesou jeho jméno.
Standardní model
Slabá interakce ve fyzice je součástí standardního modelu – teorie elementárních částic, která popisuje základní strukturu hmoty pomocí sady elegantních rovnic. Podle tohoto modelu jsou základní částice, tedy ty, které nelze rozdělit na menší části, stavebními kameny vesmíru.
Jednou z těchto částic je kvark. Vědci nepředpokládají existenci něčeho menšího, ale stále hledají. Existuje 6 typů nebo odrůd kvarků. Udělejme v nich pořádeknárůst hmoty:
- top;
- nižší;
- weird;
- enchanted;
- rozkošný;
- true.
V různých kombinacích tvoří mnoho různých druhů subatomárních částic. Například protony a neutrony – velké částice atomového jádra – každý se skládá ze tří kvarků. Horní dva a spodní tvoří proton. První a dva spodní tvoří neutron. Změna druhu kvarku může změnit proton na neutron, čímž se jeden prvek změní na jiný.
Dalším typem elementárních částic je boson. Tyto částice jsou nosiče interakce, které se skládají z energetických paprsků. Fotony jsou jeden typ bosonu, gluony jsou jiný. Každá z těchto čtyř sil je výsledkem výměny nosičů interakce. Silnou interakci provádí gluon a elektromagnetickou interakci foton. Graviton je teoreticky nositelem gravitace, ale nebyl nalezen.
W- a Z-bosony
Slabá interakce je nesena W- a Z-bosony. Tyto částice byly předpovězeny laureáty Nobelovy ceny Stevenem Weinbergem, Sheldonem Salamem a Abdusem Gleshowem v 60. letech a objeveny v roce 1983 v Evropské organizaci pro jaderný výzkum CERN.
W-bosony jsou elektricky nabité a jsou označeny symboly W+ (kladně nabité) a W- (záporně nabité). W-boson mění složení částic. Vysláním elektricky nabitého bosonu W mění slabá síla druh kvarku a vytváří protondo neutronu nebo naopak. To způsobuje jadernou fúzi a způsobuje spálení hvězd.
Tato reakce vytváří těžší prvky, které jsou nakonec vymrštěny do vesmíru výbuchy supernov, aby se staly stavebními kameny planet, rostlin, lidí a všeho ostatního na Zemi.
Neutrální proud
Z-boson je neutrální a vede slabý neutrální proud. Jeho interakce s částicemi je obtížně zjistitelná. Experimentální pátrání po W- a Z-bosonech v 60. letech 20. století přivedlo vědce k teorii, která spojuje elektromagnetické a slabé síly do jediné „elektroslabosti“. Teorie však vyžadovala, aby nosné částice byly ve stavu beztíže a vědci věděli, že teoreticky by boson W musel být těžký, aby vysvětlil svůj krátký dosah. Teoretici připisují hmotnost W neviditelnému mechanismu zvanému Higgsův mechanismus, který zajišťuje existenci Higgsova bosonu.
V roce 2012 CERN oznámil, že vědci používající největší urychlovač na světě, Velký hadronový urychlovač, pozorovali novou částici „odpovídající Higgsovu bosonu.“
Beta Decay
Slabá interakce se projevuje β-rozpadem – procesem, při kterém se proton mění v neutron a naopak. Nastává, když se v jádře s příliš velkým počtem neutronů nebo protonů jeden z nich přemění na jiný.
Beta rozpad může nastat jedním ze dvou způsobů:
- V minus-beta rozpadu, někdy psáno jakoβ− -rozpad, neutron se rozdělí na proton, antineutrino a elektron.
- Slabá interakce se projevuje rozpadem atomových jader, někdy psaným jako β+-rozpad, kdy se proton rozdělí na neutron, neutrino a pozitron.
Jeden z prvků se může změnit v jiný, když se jeden z jeho neutronů spontánně změní na proton prostřednictvím mínus beta rozpadu, nebo když se jeden z jeho protonů spontánně změní v neutron prostřednictvím β+-rozpad.
K dvojitému rozpadu beta dochází, když se 2 protony v jádře současně transformují na 2 neutrony nebo naopak, což vede k emisi 2 elektron-antineutrin a 2 beta částic. Při hypotetickém bezneutrinovém dvojitém beta rozpadu neutrina nevznikají.
Elektronický záznam
Proton se může změnit na neutron prostřednictvím procesu zvaného záchyt elektronů nebo K-záchyt. Když má jádro přebytek protonů vzhledem k počtu neutronů, zdá se, že elektron z vnitřního elektronového obalu zpravidla spadne do jádra. Elektron orbitalu je zachycen mateřským jádrem, jehož produkty jsou dceřiné jádro a neutrino. Atomové číslo výsledného dceřiného jádra se sníží o 1, ale celkový počet protonů a neutronů zůstává stejný.
Fúzní reakce
Slabá síla se podílí na jaderné fúzi, reakci, která pohání slunce a fúzní (vodíkové) bomby.
Prvním krokem ve vodíkové fúzi je srážka dvouprotony s dostatečnou silou k překonání vzájemného odpuzování, které zažívají v důsledku jejich elektromagnetické interakce.
Pokud jsou obě částice umístěny blízko sebe, může je vázat silná interakce. Vznikne tak nestabilní forma hélia (2He), která má jádro se dvěma protony, na rozdíl od stabilní formy (4He), který má dva neutrony a dva protony.
Dalším krokem je slabá interakce. Kvůli přebytku protonů jeden z nich podléhá beta rozpadu. Poté další reakce, včetně mezitvorby a fúze 3He, případně tvoří stabilní 4He.
