Den svage kraft er en af de fire grundlæggende kræfter, der styrer alt stof i universet. De andre tre er tyngdekraft, elektromagnetisme og den stærke kraft. Mens andre kræfter holder ting sammen, spiller en svag kraft en stor rolle i at nedbryde dem.
Den svage kraft er stærkere end tyngdekraften, men den er kun effektiv på meget små afstande. Kraften fungerer på det subatomære niveau og spiller en afgørende rolle i at levere energi til stjernerne og skabe elementerne. Den er også ansvarlig for det meste af den naturlige stråling i universet.
Fermi Theory
Den italienske fysiker Enrico Fermi udviklede en teori i 1933 for at forklare beta-henfald, processen med at omdanne en neutron til en proton og udstøde en elektron, ofte omt alt i denne sammenhæng som en beta-partikel. Han identificerede en ny type kraft, den såkaldte svage kraft, som var ansvarlig for henfald, den grundlæggende proces med omdannelsen af en neutron til en proton, en neutrino og en elektron, som senere blev identificeret som en antineutrino.
Fermi oprindeligtantaget, at der var nul afstand og vedhæftning. De to partikler skulle være i kontakt for at kraften kunne virke. Det er siden blevet afsløret, at den svage kraft faktisk er en tiltrækkende kraft, der manifesterer sig over en ekstrem kort afstand, svarende til 0,1 % af diameteren af en proton.
Electroweak force
I radioaktive henfald er den svage kraft cirka 100.000 gange mindre end den elektromagnetiske kraft. Det er dog nu kendt for at være iboende lig med den elektromagnetiske, og disse to tilsyneladende forskellige fænomener menes at være manifestationer af en enkelt elektrosvag kraft. Dette bekræftes af det faktum, at de kombinerer ved energier større end 100 GeV.
Nogle gange siger de, at den svage interaktion kommer til udtryk i molekylernes henfald. Imidlertid er intermolekylære kræfter af elektrostatisk karakter. De blev opdaget af van der Waals og bærer hans navn.
Standardmodel
Svag vekselvirkning i fysik er en del af standardmodellen - teorien om elementarpartikler, som beskriver stoffets grundlæggende struktur ved hjælp af et sæt elegante ligninger. Ifølge denne model er elementarpartikler, det vil sige det, der ikke kan opdeles i mindre dele, universets byggesten.
En af disse partikler er kvarken. Forskere antager ikke eksistensen af noget mindre, men de leder stadig. Der er 6 typer eller varianter af kvarker. Lad os sætte dem i rækkefølgemasseforøgelse:
- top;
- lower;
- underligt;
- enchanted;
- bedårende;
- sandt.
I forskellige kombinationer danner de mange forskellige slags subatomære partikler. For eksempel består protoner og neutroner - store partikler af atomkernen - hver af tre kvarker. De to øverste og de nederste udgør en proton. Den øverste og to nederste danner en neutron. Ændring af typen af kvark kan ændre en proton til en neutron og derved forvandle et grundstof til et andet.
En anden type elementarpartikler er en boson. Disse partikler er interaktionsbærere, som består af energistråler. Fotoner er en type boson, gluoner er en anden. Hver af disse fire kræfter er resultatet af en udveksling af interaktionsbærere. Den stærke vekselvirkning udføres af gluonen, og den elektromagnetiske vekselvirkning af fotonen. Tyngdetonen er teoretisk bæreren af tyngdekraften, men den er ikke blevet fundet.
W- og Z-bosoner
Svag interaktion bæres af W- og Z-bosoner. Disse partikler blev forudsagt af nobelprismodtagerne Steven Weinberg, Sheldon Salam og Abdus Gleshow i 1960'erne og opdaget i 1983 ved European Organisation for Nuclear Research CERN.
W-bosoner er elektrisk ladede og er angivet med symbolerne W+ (positivt ladet) og W- (negativt ladet). W-boson ændrer sammensætningen af partikler. Ved at udsende en elektrisk ladet W-boson ændrer den svage kraft typen af kvark og danner en protonind i en neutron eller omvendt. Det er det, der forårsager kernefusion og får stjerner til at brænde.
Denne reaktion skaber tungere grundstoffer, der til sidst kastes ud i rummet af supernovaeksplosioner for at blive byggestenene til planeter, planter, mennesker og alt andet på Jorden.
Neutral strøm
Z-boson er neutral og fører en svag neutral strøm. Dets interaktion med partikler er vanskeligt at opdage. Eksperimentelle søgninger efter W- og Z-bosoner i 1960'erne førte videnskabsmænd til en teori, der kombinerer de elektromagnetiske og svage kræfter til en enkelt "elektrosvag". Teorien krævede dog, at bærerpartiklerne var vægtløse, og forskerne vidste, at W-bosonen teoretisk skulle være tung for at forklare dens korte rækkevidde. Teoretikere har tilskrevet massen W til en usynlig mekanisme kaldet Higgs-mekanismen, som sørger for eksistensen af Higgs-bosonen.
I 2012 rapporterede CERN, at forskere, der brugte verdens største accelerator, Large Hadron Collider, havde observeret en ny partikel, "svarende til Higgs-bosonen."
Beta Decay
Svag interaktion kommer til udtryk i β-henfald - den proces, hvor en proton bliver til en neutron og omvendt. Det opstår, når en af dem i en kerne med for mange neutroner eller protoner omdannes til en anden.
Beta-forfald kan forekomme på en af to måder:
- I minus-beta-forfald, nogle gange skrevet somβ− -henfald, neutronen opdeles i en proton, en antineutrino og en elektron.
- Svag interaktion manifesteres i henfald af atomkerner, nogle gange skrevet som β+-henfald, når en proton sp altes i en neutron, neutrino og positron.
Et af grundstofferne kan blive til et andet, når en af dets neutroner spontant bliver til en proton gennem minus-beta-henfald, eller når en af dets protoner spontant bliver til en neutron gennem β+-forfald.
Dobbelt beta-henfald opstår, når 2 protoner i kernen samtidig omdannes til 2 neutroner eller omvendt, hvilket resulterer i emission af 2 elektron-antineutrinoer og 2 beta-partikler. I et hypotetisk neutrinoløst dobbelt beta-henfald produceres der ikke neutrinoer.
Elektronisk optagelse
En proton kan blive til en neutron gennem en proces, der kaldes elektronindfangning eller K-fangst. Når kernen har et overskydende antal protoner i forhold til antallet af neutroner, synes elektronen, som regel, fra den indre elektronskal at falde ind i kernen. Orbitalens elektron fanges af moderkernen, hvis produkter er datterkernen og neutrinoen. Atomnummeret for den resulterende datterkerne falder med 1, men det samlede antal protoner og neutroner forbliver det samme.
Fusionsreaktion
Den svage kraft er involveret i nuklear fusion, den reaktion, der driver solen og fusions-(brint)bomber.
Det første skridt i brintfusion er sammenstødet mellem toprotoner med tilstrækkelig kraft til at overvinde den gensidige frastødning, de oplever på grund af deres elektromagnetiske interaktion.
Hvis begge partikler er placeret tæt på hinanden, kan stærk interaktion binde dem. Dette skaber en ustabil form for helium (2He), som har en kerne med to protoner, i modsætning til den stabile form (4He), som har to neutroner og to protoner.
Det næste skridt er den svage interaktion. På grund af et overskud af protoner gennemgår en af dem beta-henfald. Derefter danner andre reaktioner, inklusive mellemdannelse og fusion 3He, til sidst en stabil 4He.
