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

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, різнойменними електричними зарядами, що володіють, здійснюється за допомогою електричного поля, що створюється цими зарядами; сила тяжіння пропорційна твору зарядів і назад пропорційна квадрату відстані між ними (закон Кулона). Така залежність від відстані визначає дальнодействующий характер Е. ст, його необмежений (як і в 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 див. Е. ст відповідально за існування основної «цегли» речовини: атомів і молекул і визначає взаємодію ядер і електронів в цих мікросистемах. Тому до Е. ст зводиться більшість сил, що спостерігаються в макроскопічних явищах: сила тертя, сила пружності і ін. Властивості різних агрегатних станів речовини (кристалів, аморфних тіл, рідин, газів, плазми), хімічні перетворення, процеси випромінювання, поширення і поглинання електромагнітних хвиль визначаються Е. ст У детекторах часток високої енергії використовується явище іонізації атомів речовини електричним полем пролітаючих часток. Процеси розщеплювання ядер фотонами, реакції фотонародження мезонів, радіаційні (з випусканням фотонів) розпади елементарних часток і збуджених станів ядер, пружне і непружне розсіяння електронів, позитронів і мюонів і т. п. обумовлені Е. ст Прояви Е. ст широко використовуються в електротехніку, радіотехніку, електроніці, оптиці, квантовій електроніці.

загрузка...

  Т. о., Е. ст відповідально за переважну більшість явищ навколишнього нас світу. Явища, в яких беруть участь слабкі, повільно змінні 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 змінних полів () істотні квантові ефекти. Кванти поля електромагнітного випромінювання (фотони, або g-кванті), що характеризують корпускулярні властивості електромагнітного поля, мають енергію , імпульс  ( n — одиничний вектор у напрямі поширення електромагнітної хвилі, з — швидкість світла), спин J = 1 і негативну зарядову парність (парність відносно операції зарядового сполучення ) . Взаємодії між фотонами g, електронами (е - ), позитронами (е + ) і мюонами (m + , m - ) описуються рівняннями квантової електродинаміки, яка є найбільш послідовним зразком квантовій теорії поля . При Е. ст адронів (сильно взаємодіючих часток) і атомних ядер істотну роль грає сильна взаємодія, теорія якої доки повністю не розроблена.

  Константою Е. ст в квантових явищах служить елементарний електричний заряд е » 4,8×10 -10 ед. заряду СГСЕ; інтенсивність електромагнітних процесів в мікросвіті пропорційна безрозмірному параметру   » 1 / 137 , називається постійної тонкої структури; точніше значення (на 1976): a -1 = 137,035987(23).

  Характерні межі Е. ст Серед інших типів взаємодій Е. ст займає проміжне положення як по «силі» і характерним часам протікання процесів, так і по числу законів збереження. Відношення безрозмірних параметрів, пропорційних квадратам констант сильної, електромагнітної, слабкої і гравітаційної взаємодій і що характеризують «силу» взаємодії протона з протоном при енергії ~ 1 Гев в системі їх центру мас, складає по порядку величин 1:10 -2 :10 -10 :10 -38 . Характерні часи електромагнітних розпадів елементарних часток і збуджених станів ядер (10 -12 —10 -21 сік) значно перевершують «ядерні» часи (10 -22 —10 -24 сік ) і багато менше часів розпадів, обумовлених слабкою взаємодією (10 3 —10 -11 сік ) . Окрім строгих законів збереження, справедливих для всіх типів взаємодій (енергії, імпульсу, моменту кількості руху, електричного заряду і ін.), при Е. ст, на відміну від слабких взаємодій зберігається просторів. парність, зарядова парність і дивацтво . З хорошою мірою точності встановлено, що Е. ст інваріантно по відношенню до зверненню часу . Е. ст адронів порушує властиві сильній взаємодії закони збереження ізотопічного спину і g-парності, при цьому ізотопічний спин адронів може змінитися при випусканні або поглинанні фотона не більше ніж на 1 (див., наприклад, Пі-мезони ) . Унітарна симетрія адронів (SU (3) -симметрія; див.(дивися) Елементарні частки ) приводить до певних співвідношень між електромагнітними характеристиками (наприклад, магнітними моментами) часток, що належать до одного і тому ж унітарного мультиплета.

  Закони збереження і властивості фотонів в означає, міри визначають специфічні межі Е. ст Так, рівність нулю маси спокою фотона обумовлює дальнодействующий характер Е. ст між зарядженими частками, а його негативна зарядова парність — можливість радіаційного розпаду абсолютно нейтральних часток або зв'язаних систем часток [тобто часток (систем), тотожних своїм античасткам ], що володіють покладе. зарядовою парністю, — p 0 -мезона, парапозітронія (див. Позитроній ) лише на парне число фотонів. Можливість опису (у відповідній межі) Е. ст в рамках класичної (а не лише квантовою) фізики і його макроскопічні прояви обумовлені дальнодействующим характером Е. ст і тим, що фотони підкоряються Бозе — Ейнштейна статистиці . Мала величина се визначає крихту перетинів електромагнітних процесів за участю адронів в порівнянні з перетинами аналогічних процесів, що протікають за рахунок сильних взаємодій; наприклад, перетин розсіяння фотона з енергією 320 Мев на протоні складає біля 2×10 -30 см 2 , що приблизно в 10 5 раз менше перетину розсіяння p + -мезона на протоні при відповідній повній енергії часток, що стикаються, в системі їх центру мас.

  Той факт, що електричний заряд визначає «силу» взаємодії і в той же час є такою, що зберігається величиною — унікальна властивість Е. в.; внаслідок цього Е. ст залежать лише від електричного заряду часток і не залежать від типа часток 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 лагранжіана L Е. ст поля із зарядом записується у вигляді скалярного твору:

,

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

А ® А + grad f ( х, t ) ,

,

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

  Ефекти квантової електродинаміки . До них відносяться розсіяння фотонів на електронах ( Комптона ефект ) , гальмівне випромінювання, фотонародження пар е + е - або m + m - на кулонівському полі ядер, зрушення рівнів енергії атомів із-за поляризації позитронного для електрона вакууму (див. Вакуум фізичний) і 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 розсіяння електронів один на одному і анігіляції е + - ® m + +m - при великих енергіях часток (до ~ 6 Гев в системі центру мас), що стикаються, фотонародження пар е + - , m + +m - з великими відносними імпульсами, а також прецизійні виміри рівнів енергії електронів в атомах і аномальних магнітних моментів електрона і мюона встановили справедливість квантової електродинаміки аж до дуже малих відстаней: ~ 10 -15 див. Її передбачення з високою мірою точності узгоджуються з експериментальними даними. Так, не знайдено розбіжності між теоретичним і експериментальним значеннями магнітного моменту мюона на рівні 10 -7 %.

  Характерною межею електродинамічних процесів при високих енергіях Е ( Е >> mc2, де m — маса електрона або мюона) є гостра спрямованість вперед кутових розподілів часток (g, е ± , m ± ) продуктів процесів: велика їх частина вилітає в межах кута J £ mc 2 /e відносно напряму налітаючих часток.

  Основний обчислювальний метод квантової електродинаміки — теорія обурень: завдяки слабкості Е. ст матрицю розсіяння процесів за участю електромагнітного поля можна розкласти в ряд по мірах малого параметра а і при обчисленнях обмежитися розглядом невеликого числа перших членів цього ряду (зазвичай не більше чотирьох).

  В діаграмній техніці теорії обурень (див. Фейнмана діаграми ) простий процес квантової електродинаміки — взаємодія фотона з безструктурною (точковою) зарядженою часткою входить як складовий елемент в будь-який електродинамічний процес. Із-за крихти a процеси за участю великого числа таких взаємодій менш вірогідні. Проте вони доступні спостереженню і виявляються В т. н. радіаційних поправках, в ефектах поляризації позитронного для електрона вакууму, в багатофотонних процесах . Зокрема, поляризація вакууму приводить до розсіяння світла на світі ефекту, який відсутній в класичній електродинаміці; цей ефект спостерігається при розсіянні фотонів на кулонівському полі важкого ядра ( мал. 1 , би) .

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

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

  Сильні взаємодії, як уже згадувалося, грають важливу роль в електромагнітних процесах за участю адронів. Так, резонансні стани адронів ( резонанси ) можуть збуджуватися фотонами і яскраво виявляються, наприклад, в повних перерізах поглинання фотонів протонами з утворенням адронів ( мал. 2 ). Електромагнітні властивості і електромагнітна структура адронів (магнітні моменти, полярізуємості, розподілу зарядів і струмів) обумовлені «хмарою» віртуальних часток (переважно p-мезонів), що випускаються адронами. Наприклад, середньоквадратичний радіус розподілу заряду в протоні визначається розмірами цієї «хмари» і складає ~0,8×10 -13 см (див. Формфактор ) . Разом із слабкими взаємодіями Е. ст відповідальні за відмінність мас заряджених і нейтральних часток в ізотопічних мультіплетах (наприклад, n і р, p 0 і p ± ). Короткодіючий характер сильних взаємодій визначає при енергіях   ( R — розмір адронної системи) участь в 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 і ін.) процесів Е. ст адронів і чисто адронних процесів схожі [на мал.(малюнок) 2 s (g p) при Е>2 Гев слабо залежить від енергії, що характерний для повних перерізів взаємодії адронів].

  Ця схожість лягла в основу моделі векторної домінантності, згідно якої фотон взаємодіє з адронами, заздалегідь перейшовши в адронний стан — векторні мезони r 0 , w, j і ін. Можливість такого переходу яскраво ілюструється резонансною залежністю від енергії перетину процесу е + + е - ® К + + К - , обумовленою перетворенням віртуального фотона проміжного стану на векторний j-мезон і його подальшим розпадом на пару К- мезонів ( мал. 3 , би) . Віртуальний фотон характеризується відмінним від 0 значенням квадрата 4-мірного імпульсу q 2 = E 2 /c 2 — p 2 ¹ 0, де Е, р — енергія і тривимірний імпульс фотона (для реального фотона q 2 = 0). Наприклад, для віртуального фотона, яким обмінюються електрон і протон при розсіянні, q 2 = —(4 EE ''/ з 2 ) sin 2 (J/2), де Е, E'' — енергії електрона до і після розсіяння (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 |q 2 |< 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 витікають з даної моделі (обумовлені утворенням до-мезона в проміжному стані; див.(дивися) мал.(малюнок) 3, а). (Згідно квантової електродинаміці, цей процес відбувається за допомогою перетворення пари е + е - у віртуальний фотон g, а g — в пару m + m - .

  Проте модель векторної домінантності не описує Е. ст адронів при великих | q 2 | [ |q 2 | > 2 ( Гев/с 2 ] . Так, виміряний перетин пружного розсіяння електронів на протонах, яке залежить від просторового розподілу електричних зарядів і струмів усередині нуклона, спадає із зростанням |q 2 | значно швидше, ніж передбачається моделлю. Навпаки, перетин глибокий непружного розсіяння електронів (процесу е - + р ® е - + адрони при великих передачах енергії і імпульсу адронній системі) падає повільніше; при цьому із збільшенням повної енергії W адронів в кінцевому стані характер розсіяння наближається до характеру розсіяння на точковій частці. Остання обставина привела до формулювання т.з. партонной моделі адронів; згідно цієї моделі адрони складаються з частин (партонов), які при взаємодії з фотонами проявляють себе як безструктурні точкові частки. Ототожнення партонов з кварками виявилося плідним для розуміння глибоко непружного розсіяння.

  Не дивлячись на те, що Е. ст — найбільш повно вивчений тип фундаментальної взаємодії, його продовжують інтенсивно досліджувати в багатьох наукових центрах. Це обумовлено як винятковим різноманіттям мікроскопічних і макроскопічних проявів Е. ст, що мають прикладне значення, так і унікальною роллю електромагнітного поля (як добре вивченого об'єкту) в дослідженні будови речовини на гранично малих відстанях, в здобутті відомостей про інших типах взаємодій, у виявленні нових законів і принципів симетрії в природі. Ці фундаментальні дослідження ведуться з використанням прецизійних методів атомної і ядерної спектроскопії, за допомогою отриманих на прискорювачах інтенсивних пучків фотонів, електронів, мюонів високої енергії, в космічних променях .

  Літ.: Електромагнітні взаємодії і структура елементарних часток, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969; Ахиезер А. І., Берестецкий Ст Би., Квантова електродинаміка, 3 видавництва, М., 1969; Фельд Би., Моделі елементарних часток, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1971; Фейнман Р., Взаємодія фотонів з адронами, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1975; Вайнберг С., Світло як фундаментальна частка, пер.(переведення) з англ.(англійський), «Успіхи фізичних наук», 1976, т. 120, ст 4.

  А. І. Лебедев.

Мал. 1. Діаграма Фейнмана для розсіяння світла на світі: ? + ? ?? + ?(а) у квантовій електродинаміці; хвилясті лінії змальовують фотони, прямі — електрони і позитрони вакууму. Цей процес спостерігався (б) при розсіянні фотонів на кулонівському полі ядра (помічено хрестиками), тобто на віртуальних фотонах.

Мал. 2. Залежність від енергії фотона Е? у лабораторній системі повного переріза ? (?p) поглинання фотонів протонами, що приводить до утворення адронів. Максимуми відповідають збудженню фотонами нуклонних резонансів.

Мал. 3. Поведінка перетинів s (у довільних одиницях) процесів е + + е - ® m + + m - (а) і е + + е - ® К + + К - (б) в околиці порогу народження j-мезона. По осі абсцис відкладена різниця Е — Мс 2 , де Е — повна енергія в системі центру мас, М-код — маса спокою j-мезона ( Мс 2 = 1019,5 Мев ). Пунктирна крива на мал.(малюнок) а — передбачення квантової електродинаміки. Суцільні криві — результати розрахунків з врахуванням перетворення віртуального фотона на j-мезон і його подальшого розпаду на пару m + m - через віртуальний фотон або на К + + К - . Експериментальні крапки отримані на установці із зустрічними пучками е + е - .