Siła wymiany

W fizyce termin siła wymiany był używany do opisania dwóch różnych pojęć, których nie należy mylić.

Wymiana nośników sił w fizyce cząstek elementarnych

Główny artykuł: Nosiciel sił

Preferowane znaczenie siły wymiany występuje w fizyce cząstek elementarnych , gdzie oznacza siłę wytwarzaną przez wymianę cząstek nośników siły , taką jak siła elektromagnetyczna wytwarzana przez wymianę fotonów między elektronami i siła silna wytwarzana przez wymianę gluonów między kwarkami . Idea siły wymiany implikuje ciągłą wymianę wirtualnych cząstek, które towarzyszą oddziaływaniu i przenoszą siłę, proces, który otrzymuje swoje operacyjne uzasadnienie poprzez zasadę nieoznaczoności Heisenberga .

Przy takim pojęciu można myśleć o działaniu sił jako analogicznym do następującej sytuacji: Dwie osoby stoją na stawie lodowym. Jedna osoba porusza ramieniem i jest odpychana do tyłu; chwilę później druga osoba chwyta niewidzialny przedmiot i zostaje odrzucona do tyłu (odrzucona). Nawet jeśli nie możesz zobaczyć piłki do koszykówki, możesz założyć, że jedna osoba rzuciła piłkę drugiej osobie, ponieważ widzisz, jak to wpływa na ludzi. ANIMACJA Inną prymitywną analogią, której często używa się do wyjaśnienia przyciągania zamiast odpychania, jest sytuacja, w której dwoje ludzi na stawie lodowym rzuca w siebie bumerangami. Bumerang jest odrzucany od łapacza, ale krąży do łapacza w kierunku rzucającego, zarówno rzucający, jak i łapacz są popychani do siebie przez rzucanie i łapanie.

Wszystkie interakcje, które wpływają na cząstki materii, można uważać za związane z wymianą cząstek nośników siły, zupełnie innego rodzaju cząstek, cząstek wirtualnych . O tych cząstkach można myśleć nieco analogicznie do piłek do koszykówki rzucanych między cząsteczkami materii (które są jak koszykarze). To, co zwykle nazywamy „siłami”, jest w rzeczywistości oddziaływaniem cząstek nośników siły na cząstki materii. Animacja koszykówki jest oczywiście bardzo prymitywną analogią, ponieważ może wyjaśnić jedynie siły odpychania i nie daje żadnej wskazówki, w jaki sposób wymiana cząstek może skutkować siłami przyciągania. Widzimy przykłady sił przyciągających w życiu codziennym (takich jak magnesy i grawitacja), więc ogólnie przyjmujemy za pewnik, że obecność obiektu może po prostu wpłynąć na inny obiekt. To wtedy podchodzimy do głębszego pytania: „Jak dwa przedmioty mogą wpływać na siebie bez dotykania się?” że proponujemy, aby niewidzialna siła mogła być wymianą cząstek nośników siły. Fizycy cząstek elementarnych odkryli, że możemy z niewiarygodną precyzją wyjaśnić siłę, z jaką jedna cząstka działa na inną, poprzez wymianę tych cząstek będących nośnikami siły. Jedną ważną rzeczą, którą należy wiedzieć o nośnikach siły, jest to, że dana cząstka nośnika siły może zostać zaabsorbowana lub wyprodukowana tylko przez cząstkę materii, na którą działa ta konkretna siła. Na przykład elektrony i protony mają ładunek elektryczny, więc mogą wytwarzać i absorbować nośnik siły elektromagnetycznej, foton. Z drugiej strony neutrina nie mają ładunku elektrycznego, więc nie mogą absorbować ani wytwarzać fotonów.

Historia

Jedno z najwcześniejszych zastosowań terminu interakcja miało miejsce w dyskusji Nielsa Bohra w 1913 r. Na temat interakcji między ujemnym elektronem a dodatnim jądrem . Siły wymiany zostały wprowadzone przez Wernera Heisenberga (1932) i Ettore Majorana (1933) w celu uwzględnienia nasycenia energii wiązania i gęstości jądrowej . Dokonano tego analogicznie do kwantowo-mechanicznej teorii wiązań kowalencyjnych , takich jak istniejące między dwoma atomami wodoru w cząsteczce wodoru, gdzie siła chemiczna jest przyciągająca, jeśli funkcja falowa jest symetryczna przy wymianie współrzędnych elektronów i odpychająca, jeśli fala funkcja jest pod tym względem antysymetryczna. Ponadto Ernst Stueckelberg opracował model wektorowej siły wymiany bozonów jako teoretyczne wyjaśnienie silnego oddziaływania jądrowego w 1935 roku.

Wymiana interakcji i symetria stanów kwantowych

Główny artykuł: Interakcja wymiany

Jako inne, całkowicie odrębne znaczenie siły wymiany , jest czasami używane jako synonim interakcji wymiany między elektronami, która wynika z połączenia tożsamości cząstek , symetrii wymiany i siły elektrostatycznej .

Aby zilustrować koncepcję interakcji wymiennych, na przykład dowolne dwa elektrony we wszechświecie są uważane za nierozróżnialne cząstki, a zatem zgodnie z mechaniką kwantową w 3 wymiarach każda cząstka musi zachowywać się jak bozon lub fermion. W pierwszym przypadku dwie (lub więcej) cząstki mogą zajmować ten sam stan kwantowy , co skutkuje oddziaływaniem wymiennym między nimi w postaci przyciągania; w tym drugim przypadku cząstki nie mogą zajmować tego samego stanu zgodnie z zasadą wykluczenia Pauliego . Z kwantowej teorii pola twierdzenie o statystyce spinowej wymaga , aby wszystkie cząstki o spinie półcałkowitym zachowywały się jak fermiony, a wszystkie cząstki o spinie całkowitym zachowywały się jak bozony. Tak się składa, że ​​wszystkie elektrony są fermionami, ponieważ mają spin 1/2.

W konsekwencji matematycznej fermiony wykazują silne odpychanie, gdy ich funkcje falowe nakładają się, ale bozony wykazują przyciąganie. To odpychanie jest tym, co modeluje interakcja wymiany. Odpychanie Fermiego powoduje „sztywność” fermionów. Dlatego materia atomowa jest „sztywna” lub „sztywna” w dotyku. Tam, gdzie funkcje falowe elektronów nakładają się, zachodzi odpychanie Pauliego. To samo dotyczy protonów i neutronów , gdzie ze względu na większą masę sztywność barionów jest znacznie większa niż sztywność elektronów.

Zobacz też

  1. Bibliografia   _ „Siły wymiany w fizyce cząstek elementarnych”. Podstawy fizyki . 51 (1): 1–31. doi : 10.1007/s10701-021-00425-0 . ISSN 0015-9018 .
  2. Bibliografia   _ Encyklopedia fizyki cząstek elementarnych . Simon & Schuster. ISBN 0-684-86315-4 .
  3. ^ Exchange Forces , HyperPhysics, Georgia State University , dostęp 2 czerwca 2007.
  4. ^ Falkoff, David (1950). „Siły Wymiany”. American Journal of Physics . 18 (1): 30–38. Bibcode : 1950AmJPh..18...30F . doi : 10.1119/1.1932489 .
  5. Bibliografia   _ „Czy cząstki wirtualne są mniej realne?” (PDF) . Entropia . 21 (2): 141. Bibcode : 2019Entrp..21..141J . doi : 10.3390/e21020141 . PMC 7514619 .
  6. ^ Nielsa Bohra (1913). „O konstytucji atomów i cząsteczek (część 1 z 3)” . Magazyn filozoficzny . 26 : 1–25. Bibcode : 1913PMag...26....1B . doi : 10.1080/14786441308634955 . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2007-07-04.
  7. ^   Heisenberg, W. (1932). "Über den Bau der Atomkerne. I". Zeitschrift für Physik . 77 (1–2): 1–11. Bibcode : 1932ZPhy...77....1H . doi : 10.1007/BF01342433 . S2CID 186218053 .
  8. ^   Majoranan, Ettore (1933). „Uber die Kerntheorie”. Zeitschrift für Physik . 82 (3–4): 137–145. Bibcode : 1933ZPhy...82..137M . doi : 10.1007/BF01341484 . S2CID 120511902 .
  9. ^   Jammer, Max (1957). Koncepcje siły . Dover Publications, Inc. ISBN 0-486-40689-X .
  10. ^   Na przykład, s. 87–88, Siła napędowa: naturalna magia magnesów , James D. Livingston, Harvard University Press, 1996. ISBN 0-674-21645-8 .

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Exchange_force&oldid=1114269612 ”