Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Zapisz jako PDF Udostępnij materiał

Warto przeczytać

Oddziaływania występują powszechnie, mamy z nimi do czynienia na co dzień. Tak jak wszystkie ciała we Wszechświecie podlegamy oddziaływaniu grawitacyjnemu. Gdyby zabrakło grawitacji, poruszalibyśmy się podobnie jak astronauci w międzynarodowej stacji kosmicznej, krążącej po orbicie wokół Ziemi. Gdy przesuwamy ciężką skrzynię po podłodze, pokonujemy siłę tarcia, która jest skutkiem oddziaływania skrzyni z podłożem. Niektóre materiały łatwo się elektryzują podczas pocierania i obserwujemy skutek oddziaływań elektrostatycznych w postaci przeskakującej iskry. Igła kompasu wskazuje kierunek północny dzięki oddziaływaniu z ziemskim polem magnetycznym. Skutkiem oddziaływań międzycząsteczkowych jest menisk na powierzchni cieczy, czy kulisty kształt kropel wody. Można wskazać różne przykłady oddziaływań, ale wszystkie oddziaływania występujące w przyrodzie da się sprowadzić do czterech rodzajów oddziaływań podstawowych. Są to tak zwane oddziaływania fundamentalne, do których należą oddziaływania:

  • grawitacyjne,

  • elektromagnetyczne,

  • silne,

  • słabe.

Wielkością fizyczną opisującą oddziaływanie jest siła. Należy pamiętać, że siła jest wielkością wektorową. Jeśli na ciało działa jednocześnie wiele sił, to wypadkowa siła jest sumą wektorową wszystkich sił działających na to ciało. Często jednak, gdy kierunek i zwrot siły jest dla nas oczywisty, opisując siłę wzorem pomijamy zapis wektorowy i podajemy tylko wartość siły. Tak też będziemy robić w dalszej części tego e‑materiału.

Oddziaływania grawitacyjne występują powszechnie na Ziemi i w całym Wszechświecie. Wszystkie ciała obdarzone masą przyciągają się wzajemnie siłą grawitacji, proporcjonalną do iloczynu mas tych ciał, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Prawo grawitacji zapisujemy równaniem:

Fg=Gm1m2r2,

gdzie Fg – siła grawitacji, G – stała grawitacji, m1, m2 – masy ciał, r – odległość między ich środkami.

Oddziaływania grawitacyjne powodują spadek ciał na Ziemi, ruch planet wokół Słońca w Układzie Słonecznym, pozwalają wyjaśnić wiele zjawisk astronomicznych. Mają nieskończony zasięg, ale są najsłabszymi oddziaływaniami. Odgrywają ogromną rolę przy dużych masach, a zwykle pomija się je przy analizie oddziaływań między cząstkami na poziomie mikroświata.

Oddziaływaniom elektromagnetycznym podlegają ciała obdarzone ładunkiem elektrycznym. Obejmują one oddziaływania elektrostatyczne, magnetyczne, ale też oddziaływanie pola magnetycznego na poruszającą się cząstkę naładowaną czy oddziaływanie światła z materią. Do oddziaływań elektromagnetycznych należą oddziaływania międzycząsteczkowe, które sprowadzają się do oddziaływania między cząstkami naładowanymi (elektronami, protonami), z których są zbudowane cząsteczki i atomy.

Skutkiem oddziaływań elektromagnetycznych może być przyciąganie lub odpychanie ciał, ale także emisja bądź absorbcja fotonuFotonfotonu podczas oddziaływania światła z atomami. Zasięg oddziaływań elektromagnetycznych jest nieskończony.

Przeanalizujmy kilka zjawisk, które są przejawami oddziaływań elektromagnetycznych. Jednym z nich jest napięcie powierzchniowe, odpowiedzialne za powstawanie sprężystej błonki na powierzchni wody, która ma tendencję do kurczenia się. Cząsteczki cieczy przyciągają się wzajemnie siłami spójności. Wzajemne przyciąganie cząsteczek wody możemy wyjaśnić nierównomiernym rozkładem ładunku elektrycznego wewnątrz cząsteczek, które mają charakter dipolowy. „Biegun dodatni” jednej cząsteczki i „biegun ujemny” sąsiedniej przyciągają się wzajemnie. Są to zatem oddziaływania elektromagnetyczne. Jest to opis uproszczony i warto zaznaczyć, że wiązanie między cząsteczkami wody jest to tak zwane wiązanie wodorowe, które jest najsilniejszym ze wszystkich rodzajów wiązań międzycząsteczkowych.

Rozważmy cząsteczki znajdujące się wewnątrz cieczy i przy powierzchni (Rys. 1.). Siły działające na cząsteczki znajdujące się wewnątrz cieczy równoważą się, a wypadkowa siła działająca na cząsteczkę w warstwie powierzchniowej jest zwrócona do wnętrza cieczy. Ciecz dąży do zmniejszenia swojej powierzchni swobodnej, co objawia się kurczeniem błonki powierzchniowej. Krople wody w stanie nieważkości mają kształt kulisty, gdyż kula ma najmniejszą powierzchnię ze wszystkich brył o tej samej objętości.

R6paFLqjburrm
Rys. 1. Krople wody na pajęczynie

Przejawem oddziaływań elektromagnetycznych są wiązania chemiczne. Na przykład podstawą wiązania jonowego jest elektrostatyczne przyciąganie jonów o przeciwnych ładunkach. Kryształem jonowym jest kryształ NaCl (soli kuchennej), którego strukturę przedstawia Rys. 2. Dodatnie jony NaIndeks górny + i ujemne jony ClIndeks górny - znajdują się w narożach sześciennej siatki krystalicznej.

RE1JvvwuTwRwj
Rys. 2. Chlorek sodu. [Źródło: Benjah-bmm27 (talk · contribs) [Public domain]]

Zastanówmy się, dlaczego siła tarcia jest przejawem oddziaływań elektromagnetycznych? Powierzchnie stykających się ciał nigdy nie są idealnie gładkie, zawsze mają jakieś nierówności, mikroszczeliny i występy. Podczas przesuwania ciała po podłożu następuje zaczepianie o siebie wielu nierówności. W niektórych miejscach odległość między powierzchniami stykających się ciał jest tak mała, że dochodzą „do głosu” oddziaływania międzycząsteczkowe, które należą do oddziaływań elektromagnetycznych.

Pokonywanie siły tarcia wiąże się z wykonaniem pracy, której skutkiem jest wzrost energii wewnętrznej, a zatem i temperatury stykających się ciał. Oznacza to silniejsze drgania oddziaływujących ze sobą cząsteczek.

Oddziaływania silne to oddziaływania między nukleonami w jądrze atomowym. Sąsiednie nukleony przyciągają się wzajemnie siłami jądrowymi, których zasięg jest rzędu 10Indeks górny -15 m. Siły te nie zależą od rodzaju nukleonu, czyli tak samo przyciągają się proton z protonem, neutron z neutronem, czy neutron z protonem. Siły jądrowe równoważą siły odpychania elektrostatycznego protonów i dzięki temu jądro jest utrzymywane w całości. Oddziaływania silne wiążą kwarki w nukleony (Rys. 3. i 4.). Kwarki to cząstki elementarne o ułamkowych ładunkach elektrycznych (±1/3e, ±2/3e). Posiadają też cechę zwaną kolorem. „Kolor” kwarków nie ma nic wspólnego z kolorami widzialnymi. Termin ten został wprowadzony przez fizyków przy opisie matematycznym modelu. Kwarki istnieją tylko w stanie związanym, nie obserwuje się ich w stanie swobodnym.

R1CjFwKBONcKC
Rys. 3. Struktura protonu zbudowanego z trzech kwarków: dwóch górnych (u) i dolnego (d), związanych oddziaływaniem silnym przenoszonym przez gluony
R182pFkm58R4w
Rys. 4. Struktura neutronu zbudowanego z trzech kwarków: jednego górnego (u) i dwóch dolnych (d)

Oddziaływania słabe są odpowiedzialne za rozpady beta jąder atomowych, podczas których następuje przemiana jąder atomowych i emisja elektronów (promieniowanie β -) lub pozytonów (promieniowanie β +) oraz neutrin. Rozpad β - polega na przemianie neutronu z jądra w proton, elektron i antyneutrino elektronowe, zaś rozpad β + to przemiana protonu w neutron, pozyton i neutrino elektronowe. Oddziaływania słabe mają najkrótszy zasięg ze wszystkich oddziaływań, jest on rzędu 10Indeks górny -18 m.

Oddziaływania są wzajemne i według obecnych teorii fizycznych polegają na wytworzeniu lub pochłonięciu cząstki będącej nośnikiem oddziaływania.

Nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego jest fotonFotonfoton. Nośnikami oddziaływań słabych są bozonyBozonbozony: W +, W - Z 0, a oddziaływań silnych gluonyGluongluony. Nie odkryto jeszcze nośnika oddziaływań grawitacyjnych. Nazywa się go grawitonem i traktuje jako hipotetyczną cząstkę.

Więcej informacji na temat różnych rodzajów cząstek znajduje się w e‑materiale „Model standardowyModel standardowyModel standardowy cząstek”.

W roku 1979 przyznano Nagrodę Nobla za prace nad opracowaniem teorii łączącej oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Unifikacja została częściowo dokonana. Obecnie uznajemy, że jednym z oddziaływań fundamentalnych jest oddziaływanie elektrosłabe.

Przykład 1. Oddziaływanie grawitacyjne a elektrostatyczne elektronów

W celu porównania wielkości oddziaływań elektrostatycznych i grawitacyjnych obliczmy stosunek siły wzajemnego oddziaływania elektrostatycznego i grawitacyjnego dwóch elektronów.

Stała grawitacji G = 6,67 · 10Indeks górny -11 N · mIndeks górny 2 · kgIndeks górny -2

Ładunek elementarny e = 1,6 · 10Indeks górny -19 C

Masa elektronu me = 9,1 · 10Indeks górny -31 kg

Przenikalność elektryczna próżni ε 0 = 8,85 · 10Indeks górny -12 F · mIndeks górny -1

Elektrony przyciągają się siłą grawitacji:

Fg=Gme2r2

i odpychają siłą elektrostatyczną:

Fe=14 π ε 0e2r2

Obliczmy stosunek tych sił:

FeFg=e24 π ε 0Gme2=14 π ε 0G(eme)2
FeFg=14 π 8,8510-12Fm-16,6710-11Nm2kg-2(1,610-19C9,110-31kg)241042

Siła oddziaływania elektrostatycznego dwóch elektronów jest ponad 10Indeks górny 42 razy większa niż siła ich oddziaływania grawitacyjnego. Nic dziwnego, że przy analizie zjawisk na poziomie mikroskopowym pomija się oddziaływania grawitacyjne cząstek.

Przykład 2. Kreacja pary elektron‑pozyton

Podczas oddziaływania fotonuFotonfotonu o dostatecznie dużej energii z jądrem atomowym może powstać para elektron‑pozyton. Pozyton to antycząstka elektronu, czyli cząstka o masie równej masie elektronu, ale o przeciwnym ładunku. Jeżeli energia fotonu jest większa od energii spoczynkowej pary elektron‑pozyton, to energia fotonu może się zamienić na energię kinetyczną elektronu i pozytonu, a pozostała część energii fotonu zostaje przekazana jądru. Udział jądra atomowego w tym procesie wynika z prawa zachowania pędu.

Energię spoczynkową elektronu i pozytonu obliczamy ze wzoru Einsteina:

E=mec2,

gdzie me = 9,1 · 10Indeks górny -31 kg to masa elektronu, a c = 3 · 10Indeks górny 8 m/s to prędkość światła w próżni.

Wstawiając wartości liczbowe otrzymujemy:

E=9,110-31kg(3108ms)28,210-14J8,210-14J1,610-19JeV0,51106eV

Energia pozytonu jest równa energii spoczynkowej elektronu. Zatem energia fotonu powinna spełniać warunek:

Ef>2E

czyli

Ef>1,02MeV

Zjawisko kreacji pary elektron‑pozyton może zachodzić, gdy energia fotonu jest większa od około 1,02 MeV (megaelektronowoltówElektronowolt (eV)megaelektronowoltów).

Słowniczek

Model standardowy
Model standardowy

(ang. Standard Model) teoria fizyki cząstek elementarnych, opisująca podstawowe elementy budowy materii. Model ten opisuje oddziaływania elektromagnetyczne, silne i słabe, a nie obejmuje oddziaływań grawitacyjnych.

Foton
Foton

(ang. photon, z gr. φῶς - światło) cząstka elementarna, obojętna elektrycznie, o zerowej masie spoczynkowej, pośrednicząca w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Foton porusza się z prędkością światła i zgodnie z mechaniką kwantową jest najmniejszą porcją energii fali elektromagnetycznej. Energia fotonu zależy od częstotliwości fali: E=hf gdzie h – stała Plancka, f – częstotliwość promieniowania.

Gluon
Gluon

(ang. gluon) to bezmasowa cząstka pośrednicząca w oddziaływaniach silnych. Nazwa ta pochodzi od angielskiego słowa glue, czyli klej.

Bozon
Bozon

(ang. boson) cząstka o spinie całkowitym. Wszystkie cząstki będące nośnikami oddziaływań fundamentalnych należą do grupy bozonów.

Elektronowolt (eV)
Elektronowolt (eV)

(ang. electronvolt) jednostka energii używana w fizyce jądrowej. 1 eV = 1,6 · 10Indeks górny -19 J.