8. Изотопический спин. Типы взаимодействий. Объединение типов взаимодействий.

Было обнаружено, что есть частицы очень похожие друг на друга по своим свойствам. Впервые для протонов и нейронов, например по массе. Если абстрагироваться от электронного заряда, то протон и нейрон становятся практически неотличимыми друг от друга. И их можно считать различимыми состояниями одной и той же частицы – нуклона. В случае с пи-мезонами ближайшими родственниками оказываются не две, а три частицы – пи+, пи- и пи0 – мезоны. Аналогично три пи-частицы – это не три самостоятельных сущности, а три состояния одной и той же частицы – пи-мезона. Имея в виду мультиплетность частиц, предложили приписать каждой частице такой параметр, который выражается в целых или полуцелых числах, который называется изоспином.

Число проекций изоспина I может быть найдено из формулы n=2I+1, где n – число состояний частицы, обладающей изоспином I. Соответственно для дуплета n=2 cследует, что I=1/2.

Проекции изоспина принято обозначать I₃. Они могут принимать значения –I, -I+1, …, I-1, I.

В случае с протоном и нейтроном возможны только 2 случая: -1/2 и 1/2. Для протона I=1/2, для нейтрона I=-1/2.

Для триплетов n=3 => I=1 => три проекции: 1,0,-1. Например, пи+, пи0, пи- соответствуют проекциям 1,0,-1.

В случае одиночной частицы число n=1 и изоспин I=0.

Изоспину также можно приписать вращение.

Протон и нейтрон (общее наименование этих частиц — нуклоны) различаются значением проекции изоспина, тогда как абсолютные значения их изоспина одинаковы. Последнее выражает свойство изотопической инвариантности.

Типы взаимодействий:

1. гравитационное взаимодействие;

2. сильное взаимодействие;

3. слабое взаимодействие;

4. электромагнитное взаимодействие.

Сильное взаимодействие связывает нуклоны в ядрах атомов. Слабое взаимодействие также существует в ядрах атомов, но намного меньше по величине, чем сильное. Впервые было выдвинуто Ферми в 1934 году при создании теории ядерных взаимодействий. Пучок протонов, обладающих сильным взаимодействием, задерживается металлическим листком, а пучок нейтрино (слабое взаимодействие) практически не задерживается земным шаром.

Если взять два протона при энергии 1 Гигаэлектронвольт(Гэв), то в отношений взаимодействий получатся следующие пропорции:

Сильное:Электромагнитное: слабое: гравитационное=1 10^-2 10^-10 10^-38.

По мере увеличения расстояния между частицами взаимодействие между ними убывает. Это относится ко всем четырем типам взаимодействия. Электромагнитное и гравитационное уменьшаются плавно (обратно пропорционально квадрату расстояния), сильное и слабое становятся практически равными нулю, резко уменьшаются при увеличении расстояния выше некоторого предела.

	Относительная интенсивность	Характерное расстояние, см.	Характерное время реакции, с.
Сильное	1	10^-13	10^-24 – 10^-23
Электромагнитное	10^-2	10^-10 – 10^-8	10^-22 – 10^-21
слабое	10^-10	10^-17 – 10^-16	10^-8 – 10^-10

Сильное и слабое взаимодействия существуют только в пределах атомных ядер. На расстояниях, сравнимых с размером атомов - 10^-8, господствуют электромагнитные силы. Влияние же гравитационных сил ничтожно мало. Вследствие этого поведение электронов в составе атомов, молекул, ионов определяется электромагнитным взаимодействием. Следовательно, и химические связи определяются электромагнитным взаимодействием. И только в случае массивных объектов (электрически нейтральных) доминирующим оказывается гравитационное взаимодействие (планеты, звезды).

Характерное время реакции является временем жизни частиц, переносящих данное взаимодействие. Наиболее быстро происходит сильное взаимодействие, гораздо медленнее – слабое взаимодействие.

Объединение типов взаимодействия:

Когда выяснилось, что калибровочная инвариантность характерная для всех 4 типов взаимодействия, то она стимулировала поиск теории Великого объединения типов взаимодействий. Различия между типами взаимодействия не отрицается, но им не придают особого значения и объясняют спонтанным нарушением симметрии. В 1967 году Вайнберг, Салам удалось объединить электромагнитное и слабое (электрослабое). Тогда электромагнитное взаимодествие – электрослабое с ненарушенной симметрией, а слабое – электрослабое с нарушенной симметрией. С 1974 года стали достаточно успешно объединять сильное с электрослабым. Эта программа близка к завершению. Больше всего трудностей возникает с включением в Великое объединение гравитационное взаимодействие.