Номер 2, страница 304 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 79. Обменная модель ядерного взаимодействия. Глава 12. Физика атомного ядра - номер 2, страница 304.

Условие.

2. В чём состоит обменное взаимодействие?

Решение.

Решение 2.

1. В квантовой теории поля виртуальная частица — это частица-переносчик взаимодействия, которая существует очень короткое время и не может быть непосредственно зарегистрирована детекторами. Появление таких частиц связано с принципом неопределённости Гейзенберга для энергии и времени:

$$ΔE \cdot Δt \ge \frac{\hbar}{2}$$

где $ΔE$ — неопределённость энергии, $Δt$ — промежуток времени, а $\hbar$ — редуцированная постоянная Планка.

Этот принцип позволяет на очень короткое время $Δt$ «занять» энергию $ΔE$ из вакуума для рождения частицы, при условии, что по истечении этого времени энергия будет «возвращена». Чем больше масса (а следовательно, и энергия покоя $E=mc^2$) виртуальной частицы, тем меньшее время она может существовать.

Ключевые свойства виртуальных частиц:

• Они не подчиняются релятивистскому соотношению между энергией, импульсом и массой ($E^2 \ne (pc)^2 + (m_0c^2)^2$), которое справедливо для реальных частиц. Говорят, что они находятся «вне массовой поверхности».
• Их невозможно непосредственно наблюдать, так как любая попытка измерения потребовала бы энергии и времени, что нарушило бы условия их существования. Однако их существование подтверждается косвенными эффектами, которые точно предсказываются теорией (например, лэмбовский сдвиг, аномальный магнитный момент электрона).
• Они выступают в роли переносчиков фундаментальных взаимодействий. Например, электромагнитное отталкивание двух электронов описывается как обмен виртуальными фотонами.

Ответ: Виртуальная частица — это квантовый объект, который существует в течение очень короткого времени, допустимого соотношением неопределённостей, и выступает в качестве переносчика фундаментальных взаимодействий. В отличие от реальных частиц, она не может быть напрямую зафиксирована и не удовлетворяет стандартному соотношению между энергией и импульсом.

2. Обменное взаимодействие — это фундаментальный процесс, лежащий в основе всех видов взаимодействий (кроме гравитационного в рамках Стандартной модели), который заключается в обмене виртуальными частицами-переносчиками между взаимодействующими объектами.

Суть механизма такова:

1. Одна из взаимодействующих частиц (например, электрон) испускает виртуальную частицу (квант соответствующего поля, например, фотон). В соответствии с законом сохранения импульса, испустившая частица изменяет свой импульс.
2. Виртуальная частица, просуществовав короткое время, поглощается второй взаимодействующей частицей.
3. Вторая частица, поглотив виртуальную частицу, также изменяет свой импульс.

Этот непрерывный обмен квантами поля приводит к изменению состояний (энергии и импульса) исходных частиц, что мы и воспринимаем как действие силы между ними. Каждому типу фундаментального взаимодействия соответствует свой тип виртуальных частиц-переносчиков:

• Электромагнитное взаимодействие переносится виртуальными фотонами.
• Сильное взаимодействие (между кварками) переносится глюонами. Остаточное сильное взаимодействие (между нуклонами в ядре) можно описать обменом пионами.
• Слабое взаимодействие переносится промежуточными векторными бозонами $W^+$ , $W^-$ и $Z^0$.

Радиус действия силы обратно пропорционален массе частицы-переносчика. Поскольку фотон не имеет массы, радиус действия электромагнитных сил бесконечен. Массивные $W$- и $Z$-бозоны приводят к очень малому радиусу действия слабых сил.

Термин "обменное взаимодействие" также используется в квантовой механике для описания специфического эффекта, возникающего из-за неразличимости тождественных частиц и принципа Паули. Этот эффект приводит к появлению дополнительной энергии взаимодействия, зависящей от взаимной ориентации спинов частиц, и является причиной, например, ферромагнетизма.

Ответ: Обменное взаимодействие — это процесс, при котором две или более частицы взаимодействуют друг с другом путём обмена виртуальными частицами (квантами поля). Этот обмен приводит к изменению импульса и энергии взаимодействующих частиц, что проявляется как сила. Этот механизм является основой описания электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий в квантовой теории поля.