Siła wymiany - Exchange force

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

Wymiana nośników sił w fizyce cząstek elementarnych

Główny artykuł: Nośnik sił

Preferowanym znaczeniem siły wymiany jest fizyka cząstek elementarnych , gdzie oznacza ona siłę wytwarzaną przez wymianę cząstek nośnika siły , taką jak siła elektromagnetyczna wytwarzana przez wymianę fotonów między elektronami i silna siła wytwarzana przez wymianę gluonów między kwarkami . Idea siły wymiennej zakłada ciągłą wymianę wirtualnych cząstek, które towarzyszą interakcji i przenoszą siłę, proces, który ma swoje operacyjne uzasadnienie dzięki zasadzie nieoznaczoności Heisenberga .


Przy takim pojęciu można myśleć o działaniu sił analogicznym do następującej sytuacji: Dwie osoby stoją na stawie lodowym. Jedna osoba porusza ręką i zostaje odepchnięta do tyłu; chwilę później druga osoba chwyta niewidzialny przedmiot i zostaje odepchnięta do tyłu (odpychana). Nawet jeśli nie możesz zobaczyć piłki do koszykówki, możesz założyć, że jedna osoba rzuciła piłkę do drugiej osoby, ponieważ widzisz jej wpływ na ludzi. ANIMACJA Inną prostą analogią, która jest często używana do wyjaśnienia przyciągania zamiast odpychania, jest to, że dwie osoby na stawie lodowym rzucają w siebie bumerangami. Bumerang jest odrzucany od łapacza, ale krąży do łapacza w kierunku rzucającego, zarówno rzucający, jak i łapacz są popychani do siebie nawzajem przez rzucanie i łapanie.

O wszystkich oddziaływaniach, które wpływają na cząstki materii, można myśleć jako o wymianie cząstek nośnika siły, zupełnie innego typu cząstki, cząstki wirtualnej . Cząstki te można traktować podobnie jak piłki do koszykówki rzucane między cząstkami materii (które przypominają koszykarzy). To, co zwykle uważamy za „siły”, jest w rzeczywistości efektem cząsteczek nośnika siły na cząstki materii. Animacja koszykówki jest oczywiście bardzo prymitywną analogią, ponieważ wyjaśnia tylko siły odpychające i nie daje żadnej wskazówki, jak wymiana cząstek może skutkować siłami przyciągania. Widzimy przykłady sił przyciągania w życiu codziennym (takich jak magnesy i grawitacja), więc generalnie przyjmujemy za pewnik, że obecność obiektu może po prostu wpływać na inny obiekt. Dzieje się tak, gdy zbliżamy się do głębszego pytania: „Jak dwa przedmioty mogą wpływać na siebie nawzajem bez dotykania?” że proponujemy, że niewidzialna siła może być wymianą cząstek będących nośnikami siły. Fizycy cząstek odkryli, że możemy z niesamowitą precyzją wytłumaczyć siłę jednej cząstki działającej na drugą poprzez wymianę tych cząstek będących nośnikami siły. Jedną ważną rzeczą, którą należy wiedzieć o nośnikach siły, jest to, że dana cząstka nośnika siły może być absorbowana lub wytwarzana tylko przez cząstkę materii, na którą działa ta konkretna siła. Na przykład elektrony i protony mają ładunek elektryczny, dzięki czemu mogą wytwarzać i absorbować nośnik siły elektromagnetycznej, foton. Z drugiej strony neutrina nie mają ładunku elektrycznego, więc nie mogą absorbować ani wytwarzać fotonów.

Historia

Jednym z najwcześniejszych zastosowań terminu interakcja było omówienie przez Nielsa Bohra w 1913 r. Interakcji między elektronem ujemnym a jądrem dodatnim . 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 kwantowej teorii wiązań kowalencyjnych , takich jakie istnieją między dwoma atomami wodoru w cząsteczce wodoru, gdzie siła chemiczna jest atrakcyjna, jeśli funkcja falowa jest symetryczna przy wymianie współrzędnych elektronów i odpychająca, jeśli fala funkcja jest pod tym względem antysymetryczna.

Interakcja wymiany 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 powstaje z połączenia tożsamości cząstek , symetrii wymiany i siły elektrostatycznej .

Aby zilustrować koncepcję interakcji wymiennej , na przykład dowolne dwa elektrony we wszechświecie są uważane za nierozróżnialne cząstki, a więc zgodnie z mechaniką kwantową w trzech wymiarach każda cząstka musi zachowywać się jak bozon lub fermion. W pierwszym przypadku dwie (lub więcej) cząstki mogą zajmować ten sam stan kwantowy, co powoduje interakcję wymienną 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 , to twierdzenie o związku spinu ze statystyką żąda, aby wszystkie cząstki o pół całkowitej wirowania zachowują się jak fermionów i wszystkie cząstki o całkowitą wirowania zachowują się jak bozonów. 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 przyciągają. To odpychanie jest tym, co modele interakcji wymiany. Odpychanie Fermiego skutkuje „sztywnością” fermionów. Dlatego materia atomowa jest „sztywna” lub „sztywna” w dotyku. Tam, gdzie funkcje falowe elektronów zachodzą na siebie, następuje odpychanie Pauliego. To samo dotyczy protonów i neutronów, gdzie ze względu na większą masę barionów sztywność jest znacznie większa niż elektronów.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Jaeger, Gregg (2021). „Wymienne siły w fizyce cząstek”. Podstawy fizyki . 51 (1): 1–31. doi : 10.1007 / s10701-021-00425-0 .
  2. ^ Gribbin, John (2000). Encyklopedia fizyki cząstek . Simon & Schuster. ISBN   0-684-86315-4 .
  3. ^ Exchange Forces , HyperPhysics, Georgia State University , obejrzano 2 czerwca 2007.
  4. ^ Falkoff, David (1950). „Exchange Forces”. American Journal of Physics . 18 (1): 30–38. Bibcode : 1950AmJPh..18 ... 30F . doi : 10,1119 / 1,1932489 .
  5. ^ Jaeger, Gregg (2019). „Czy wirtualne cząstki są mniej realne?” (PDF) . Entropia . 21 (2): 141. Bibcode : 2019Entrp..21..141J . doi : 10.3390 / e21020141 .
  6. ^ Niels Bohr (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 . ISBN firmy Dover Publications, Inc.   0-486-40689-X .
  10. ^ Na przykład, s. 87–88, Driving Force: the natural magic of magnets , James D. Livingston, Harvard University Press, 1996. ISBN   0-674-21645-8 .

Linki zewnętrzne