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弱相互作用力 弱相互作用
弱相互作用 弱相互作用(又称弱力或弱核力)是自然的四种基本力中的一种,其余三种为强核力、电磁力及万有引力。次原子粒子的放射性衰变就是由它引起的,恒星中一种叫氢聚变的过程也是由它启动的。弱相互作用会影响所有费米子,即所有自旋为半奇数的粒子。 在粒子物理…
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弱相互作用
弱相互作用(又称弱力或弱核力)是自然的四种基本力中的一种,其余三种为强核力、电磁力及万有引力。次原子粒子的放射性衰变就是由它引起的,恒星中一种叫氢聚变的过程也是由它启动的。弱相互作用会影响所有费米子,即所有自旋为半奇数的粒子。
在粒子物理学的标准模型中,弱相互作用的理论指出,它是由W及Z玻色子的交换(即发射及吸收)所引起的,由于弱力是由玻色子的发射(或吸收)所造成的,所以它是一种非接触力。这种发射中最有名的是β衰变,它是放射性的一种表现。重的粒子性质不稳定,由于Z及W玻色子比质子或中子重得多,所以弱相互作用的作用距离非常短。这种相互作用叫做“弱”,是因为它的一般强度,比电磁及强核力弱好几个数量级。大部份粒子在一段时间后,都会通过弱相互作用衰变。弱相互作用有一种独一无二的特性——那就是夸克味变——其他相互作用做不到这一点。另外,它还会破坏宇称对称及CP对称。夸克的味变使得夸克能够在六种“味”之间互换。
弱力最早的描述是在1930年代,是四费米子接触相互作用的费米理论:接触指的是没有作用距离(即完全靠物理接触)。但是现在最好是用有作用距离的场来描述它,尽管那个距离很短。在1968年,电磁与弱相互作用统一了,它们是同一种力的两个方面,现在叫电弱力。
弱相互作用在粒子的β衰变中最为明显,在由氢生产重氢和氦的过程中(恒星热核反应的能量来源)也很明显。放射性碳定年法用的就是这样的衰变,此时碳-14通过弱相互作用衰变成氮-14。它也可以造出辐射冷光,常见于超重氢照明;也造就了β伏这一应用领域(把β射线的电子当电流用)。
性质
图为标准模型中六种夸克的电荷与质量分布,以及各种衰变路线,线的虚实代表该衰变发生的可能。
弱相互作用有如下的数项特点:
1. 唯一能够改变夸克味的相互作用。
2. 唯一能令宇称不守恒的相互作用。因此它也是唯一违反的相互作用。
3. 由具质量的所介导的相互作用。这一不寻常的特点可由的得出。
由于弱相互作用载体粒子(W及Z玻色子)质量很大(约 90 GeV/c2),所以他们的寿命很短:平均寿命约为 3 × 10-25秒。弱相互作用的耦合常数(相互作用强度的一个指标)介乎10?7与10?6之间,而相比下,强相互作用的耦合常数约为1,故就强度而言,弱相互作用是弱的。弱相用作用的作用距离很短(约为10?17–10?16 m)。在大约10?18米的距离下,弱相互作用的强度与电磁大约一致;但在大约3×10?17的距离下,弱相互作用比电磁弱一万倍。 在标准模型中,弱相互作用会影响所有费米子,还有希格斯玻色子;弱相互作用是除引力相互作用外唯一一种对中微子有效的相互作用。弱相互作用并不产生束缚态(它也不需要束缚能)——引力在天文距离下这样做,电磁力在原子距离下这样做,而强核力则在原子核中这样做。
它最明显的过程是由第一项特点所造成的:味变。比方说,一个中子比一个质子(中子的核子拍档)重,但它不能在没有变味(种类)的情况下衰变成质子,它两个“下夸克”中的一个需要变成“上夸克”。由于强相互作用和电磁相互作用都不允许味变,所以它一定要用弱相互作用;没有弱相互作用的话:夸克的特性,如奇异及魅(与同名的夸克相关),会在所有相互作用下守恒。因为弱衰变的关系,所以所有介子都不稳定。在β衰变这个过程下,中
子里面的“下夸克”,会发射出一个虚W?
玻色子,它随即衰变成一电子及一反电中微子。
由于玻色子的大质量,所以弱衰变相对于强或电磁衰变,可能性是比较低的,因此发生得比较慢。例如,一个中性π介子在通过电磁衰变时,寿命约为10-16秒;而一个带电π介子的通过弱核力衰变时,寿命约为10-8秒,是前者的一亿倍。相比下,一个自由中子(通过弱相互作用衰变)的寿命约为15分钟。
弱同位旋与弱超荷
弱同位旋(T3)是所有粒子都拥有的一
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