Велика Радянська Енциклопедія

Електромагнітні взаємодії

   
 

Електромагнітні взаємодії, тип фундаментальних взаємодій (поряд з гравітаційним, слабким і сильним), який характеризується участю електромагнітного поля в процесах взаємодії. Електромагнітне поле (у квантовій фізиці - фотони ) або випромінюється або поглинається при взаємодії, або переносить взаємодія між тілами. Так, тяжіння між двома нерухомими тілами, що володіють різнойменними електричними зарядами, здійснюється за допомогою електричного поля, створюваного цими зарядами; сила тяжіння пропорційна добутку зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними (закон Кулона). Така залежність від відстані визначає дальнодействием характер Е. у., Його необмежений (як і у гравітаційної взаємодії) радіус дії. Тому навіть в атомах (на відстанях ~ 10 -8 см ) електромагнітні сили на багато порядків перевищують ядерні, радіус дії яких ~ 10 -12 см. Е. у. відповідально за існування основних "цеглинок" речовини: атомів і молекул і визначає взаємодію ядер і електронів в цих мікросистемах. Тому до Е. в. зводиться більшість сил, що спостерігаються в макроскопічних явищах: сила тертя, сила пружності та ін Властивості різних агрегатних станів речовини (кристалів, аморфних тіл, рідин, газів, плазми), хімічні перетворення, процеси випромінювання, поширення і поглинання електромагнітних хвиль визначаються Е. у. У детекторах часток високої енергії використовується явище іонізації атомів речовини електричним полем пролітають частинок. Процеси розщеплення ядер фотонами, реакції фотонародження мезонів, радіаційні (з випусканням фотонів) розпади елементарних частинок і збуджених станів ядер, пружне і непружне розсіювання електронів, позитронів и мюонів і т. п. обумовлені Е. у. Прояви Е. у. широко використовуються в електротехніці, радіотехніці, електроніці, оптиці, квантовій електроніці.

Т. о., Е. в. відповідально за переважну більшість явищ навколишнього нас світу. Явища, в яких беруть участь слабкі, повільно мінливі електромагнітні поля ( , де w - характерна кругова частота зміни поля, ? - постійна Планка, e - енергія поля), управляються законами класичної електродинаміки, яка описується Максвелла рівняннями . Для сильних або швидко мінливих полів ( ) істотні квантові ефекти. Кванти поля електромагнітного випромінювання (фотони, або g-кванти), що характеризують корпускулярні властивості електромагнітного поля, мають енергію , імпульс ? (n - одиничний вектор у напрямку поширення електромагнітної хвилі, с - швидкість світла), спін J = 1 і негативну зарядову парність (парність щодо операції зарядового сполучення ). Взаємодії між фотонами g , електронами (е -), позитронами (е +) і мюонами (m +, m -) описуються рівняннями квантової електродинаміки, яка є найбільш послідовним зразком квантової теорії поля . При Е. у. адронів (сильно взаємодіючих частинок) і атомних ядер істотну роль грає сильна взаємодія, теорія якого поки повністю не розроблена.

Константою Е. у. у квантових явищах служить елементарний електричний заряд е "4,8 ? 10 -10 од. заряду СГСЕ; інтенсивність електромагнітних процесів у мікросвіті пропорційна безрозмірного параметру " 1/ 137 , називається постійної тонкої структури; більш точне значення (на 1976): a -1 = 137, 035987 (23).

Характерні риси Е. у. Серед інших типів взаємодій Е. у. займає проміжне положення як по "силі" і характерним часам протікання процесів, так і по числу законів збереження. Ставлення безрозмірних параметрів, пропорційних квадратах констант сильного, електромагнітного, слабкого та гравітаційного взаємодій і характеризують "силу" взаємодії протона з протоном при енергії ~ 1 Гев в системі їх центру мас, становить по порядку величин 1:10 -2 : 10 -10 : 10 -38 . Характерні часи електромагнітних розпадів елементарних частинок і збуджених станів ядер (10 -12 -10 -21 сек) значно перевершують "ядерні" часи (10 -22 -10 -24 сек ) і багато менше часів розпадів, обумовлених слабкою взаємодією (10 3 -10 -11 сек ). Крім строгих законів збереження, справедливих для всіх типів взаємодій (енергії, імпульсу, моменту кількості руху, електричного заряду і ін), при Е. в., на відміну від слабких взаємодій, зберігається просторів. парність , зарядова парність і дивина . З хорошою ступенем точності встановлено, що Е. у. инвариантно по відношенню до зверненням часу . Е. у. адронів порушує властиві сильному взаємодії закони збереження изотопического спина і G-парності, при цьому ізотопічний спин адронів може змінитися при випущенні або поглинанні фотона не більше ніж на 1 (див., наприклад, Пі-мезони ). Унітарна симетрія адронів (SU (3)-симетрія; см. Елементарні частинки ) призводить до певних співвідношеннях між електромагнітними характеристиками (наприклад, магнітними моментами) частинок, що належать до одного і того ж унітарному мультиплеті.

Закони збереження і властивості фотонів в означає, мірі визначають специфічні риси Е. у. Так, рівність нулю маси спокою фотона обумовлює дальнодействием характер Е. у. між зарядженими частинками, а його негативна зарядова парність - можливість радіаційного розпаду абсолютно нейтральних частинок або пов'язаних систем частинок [тобто частинок (систем), тотожних своїм античастинкам ], володіють покладе. зарядовим парністю, - p 0-мезона, парапозітронія (див. Позитронний ) лише на парне число фотонів. Можливість опису (у відповідному межі) Е. в. в рамках класичної (а не тільки квантової) фізики і його макроскопічні прояви обумовлені дальнодействием характером Е. у. й тим, що фотони підкоряються Бозе - Ейнштейна статистиці . Мала величина се визначає малість перетинів електромагнітних процесів за участю адронів в порівнянні з перетинами аналогічних процесів, що протікають за рахунок сильних взаємодій; наприклад, переріз розсіяння фотона з енергією 320 МеВ на протоні становить близько 2 ? 10 -30 см 2, що приблизно в 10 5 раз менше перетину розсіяння p +-мезона на протоні при відповідній повної енергії частинок, що стикаються в системі їх центру мас.

Той факт, що електричний заряд визначає "силу" взаємодії і в той же час є зберігається величиною - унікальна властивість Е. у.; внаслідок цього Е. у. залежать тільки від електричного заряду частинок і не залежать від типу частинок або електромагнітних процесів. При описі електромагнітного поля 4-мірним вектором-потенціалом А m (m =? 0,1,2,3) [А (j, А), А - векторний, j - скалярний потенціали] щільність лагранжиана L Е. у. поля із зарядом записується у вигляді скалярного твори:

,

де: jm - 4-мірний вектор щільності електричного струму: j = (cr, j ), j - щільність струму, r - щільність заряду. При градієнтному перетворенні вектор-потенціалу, яке називається також калібрувальним перетворенням (2-го роду):

А ? А + grad f ( х, t ),

,

де jm ( x, t ) - довільна функція координат х і часу t, спостережувані фізичні величини (напруженості полів, ймовірності електромагнітних процесів і т. п.) залишаються незмінними. Це властивість, специфічне для Е. в., отримало назву принципу калібрувальної інваріантності - одного з принципів симетрії в природі (див. Симетрії у фізиці), що виражає в найбільш загальній формі факт існування електромагнітного поля (фотона) і Е. в. Узагальнення калібрувальної інваріантності на слабкі взаємодії дозволило сформулювати єдину теорію слабких і електромагнітних взаємодій лептонів (див. Слабкі взаємодії ).

Ефекти квантової електродинаміки . До них відносяться розсіювання фотонів на електронах ( Комптона ефект ), гальмівне випромінювання , фотонародження пар е +е- або m +m- на кулонівському полі ядер, зсув рівнів енергії атомів з -за поляризації електрон-позитронного вакууму (див. Вакуум фізичний) та інші ефекти, в яких можна нехтувати структурою заряду (його відмінністю від точечності) при взаємодії з ним електромагнітного поля. Розвинена для опису атомних явищ квантова електродинаміка виявилася справедливою для значно менших, ніж атомні, відстаней. Вивчення розсіювання електронів один на одному і анігіляції е + + е - ? m + + m - при великих енергіях частинок, що стикаються (до ~ 6 Гев в системі центру мас), фотонародження пар е + + е -, m + + m - з великими відносними імпульсами, а також прецизійні вимірювання рівнів енергії електронів в атомах і аномальних магнітних моментів електрона і мюона встановили справедливість квантової електродинаміки аж до дуже малих відстаней: ~ 10 -15 см. Її передбачення з високим ступенем точності узгоджуються з експериментальними даними. Так, не знайдено розбіжності між теоретичним і експериментальним значеннями магнітного моменту мюона на рівні 10 -7 %.

Характерною рисою електродинамічних процесів при високих енергіях Е (Е >> mc2, де m - маса електрона або мюона) є гостра спрямованість вперед кутових розподілів частинок (g, е ?, m ?) - продуктів процесів: більша їх частина вилітає в межах кута J ? mc 2 / E щодо направлення налітають частинок.

Основной обчислювальний метод квантової електродинаміки - теорія збурень: завдяки слабкості Е. у. матрицю розсіювання процесів за участю електромагнітного поля можна розкласти в ряд за ступенями малого параметра a і при обчисленнях обмежитися розглядом невеликого числа перших членів цього ряду (зазвичай не більше чотирьох).

У диаграммной техніці теорії збурень (див. Фейнмана діаграми ) найпростіший процес квантової електродинаміки - взаємодія фотона з безструктурної (точкової) зарядженою часткою входить як складовий елемент в будь електродинамічний процес. Через малість aпроцесси за участю великої кількості таких взаємодій менш вірогідні. Однак вони доступні спостереженню і проявляються в т. н. радіаційних поправках , в ефектах поляризації електрон-позитронного вакууму, в Багатофотонні процесах . Зокрема, поляризація вакууму призводить до розсіювання світла на світі ( рис. 1 , а) - ефекту, який відсутній в класичній електродинаміці; цей ефект спостерігається при розсіянні фотонів на кулонівському полі важкого ядра ( рис. 1 , б) .

У характері Е. у. для електронів (позитронів) і для мюонів не виявлено відмінності незважаючи на значить, різницю в їх масах; це лягло в основу т. н. m-е-універсальності, поки що не отримала теоретичного пояснення.

? Е. у. адронів і атомних ядер. У електромагнітних процесах за участю адронів (фотонародження мезонів, розсіянні електронів і мюонів на протонах і ядрах, анігіляції пари е + е- в адрони та ін) один з об'єктів взаємодії - електромагнітне поле - добре вивчений. Це робить Е. у. винятково ефективним інструментом дослідження будови адронів і природи сильних взаємодій.

Сильні взаємодії, як уже згадувалося, відіграють важливу роль в електромагнітних процесах за участю адронів. Так, резонансні стани адронів ( резонанси ) можуть збуджуватися фотонами і яскраво проявляються, наприклад, в повних перетинах поглинання фотонів протонами з утворенням адронів ( рис. 2 ). Електромагнітні властивості і електромагнітна структура адронів (магнітні моменти, поляризуемости, розподілу зарядів і струмів) обумовлені "хмарою" віртуальних частинок (переважно p-мезонів), що випускаються адронами. Наприклад, середньоквадратичний радіус розподілу заряду в протоні визначається розмірами цього "хмари" і складає ~ 0,8 ? 10 -13 см (див. Формфактор ). Разом зі слабкими взаємодіями Е. у. відповідальні за відмінність мас заряджених і нейтральних частинок в ізотопічних мультиплеті (наприклад, n і р, p 0 і p ?). короткодіючі характер сильних взаємодій визначає при енергіях ( R - розмір адронной системи) участь у реакціях лише нижчих мультипольних моментів фотона і, як наслідок цього, плавну залежність диференціальних перерізів від кутів. При високих енергіях ( Е> 2 Гев ) кутові і енергетичні залежності характеристик (перетинів, поляризацій та ін) процесів Е. у. адронів і чисто адронних процесів схожі [на рис. 2 s (gp) при Е> 2 Гев слабо залежить від енергії, що характерно для повних перерізів взаємодії адронів].

Ця схожість лягло в основу моделі векторної домінантності, згідно з якою фотон взаємодіє з адронами, попередньо перейшовши в адронному стан - векторні мезони r 0, w, j та ін Можливість такого переходу яскраво ілюструється резонансної залежністю від енергії перетину процесу е + + е - ? К + + К -, обумовленої перетворенням віртуального фотона проміжного стану в векторний j-мезон і його наступним розпадом на пару К- мезонів ( рис. 3 , б) . Віртуальний фотон характеризується відмінним від 0 значенням квадрата 4-мірного імпульсу q2 = E 2 / c 2 - P2 ? 0, де Е, р - енергія і тривимірний імпульс фотона (для реального фотона q2 = 0). Наприклад, для віртуального фотона, яким обмінюються електрон і протон при розсіянні, q2 = - (4EE'/c2) sin2 (J / 2), де Е, E '- енергії електрона до і після розсіювання (для випадку Е, E ' >> mc2), J - кут розсіяння в лабораторній системі відліку. Експеримент показав задовольнить. застосовність моделі векторної домінантності для опису електромагнітних явищ за участю реальних фотонів і віртуальних фотонів з | q2| <2 (Гев / с)2. Зокрема, в перетині анігіляції е++ Е- ? m+ + M- при енергії в системі центру мас 1019,5 МеВ спостерігаються відхилення від передбачень квантової електродинаміки, які випливають з даної моделі (обумовлені освітою К-мезона в проміжному стані; див. рис. 3, а). (Згідно квантової електродинаміки, цей процес відбувається за допомогою перетворення пари е+е- у віртуальний фотон g, а g - в пару m+m-.

Однак модель векторної домінантності не описує Е. у. адронів при великих |q2| [| Q2|> 2(Гев / с2]. Так, виміряний перетин пружного розсіювання електронів на протонах, яке залежить від просторового розподілу електричних зарядів і струмів всередині нуклона, спадає з ростом | Q2| значно швидше, ніж передбачається моделлю. Навпаки, перетин глибоко непружного розсіяння електронів (процесу е- + Р? е-+ Адрони при великих передачах енергії та імпульсу адронной системі) падає повільніше; при цьому зі збільшенням повної енергії W адронів в кінцевому стані характер розсіяння наближається до характеру розсіяння на точковій частці. Остання обставина призвела до формулювання т. н. Партон моделі адронів; відповідно до цієї моделі адрони складаються з частин (партонов), які при взаємодії з фотонами проявляють себе як безструктурні точкові частинки. Ототожнення партонов з кварками виявилося плідним для розуміння глибоко непружного розсіяння.

Незважаючи на те, що Е. у. - Найбільш повно вивчений тип фундаментальної взаємодії, його продовжують інтенсивно досліджувати в багатьох наукових центрах. Це зумовлено як винятковим різноманіттям мікроскопічних і макроскопічних проявів Е. у., Мають прикладне значення, так і унікальною роллю електромагнітного поля (як добре вивченого об'єкта) у дослідженні будови речовини на гранично малих відстанях, в отриманні відомостей про інші типи взаємодій, у виявленні нових законів і принципів симетрії в природі. Ці фундаментальні дослідження ведуться з використанням прецизійних методів атомної та ядерної спектроскопії, за допомогою отриманих на прискорювачах інтенсивних пучків фотонів, електронів, мюонів високої енергії, в космічних променях.

© Літ.: Електромагнітні взаємодії та структура елементарних частинок, пров. з англ., М., 1969; Ахиезер А. І., Берестецький В. Б., Квантова електродинаміка, 3 вид., М., 1969; Фельд Б., Моделі елементарних частинок, пров. з англ., М., 1971; Фейнман Р., Взаємодія фотонів з адронами, пров. з англ., М., 1975; Вайнберг С., Світло як фундаментальна частинка, пров. з англ., "Успіхи фізичних наук", 1976, т. 120, ст. 4.

А. І. Лебедєв.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія   біляші   морс   шашлик   качка