1. Гравитационное и электромагнитное взаимодествия.
В школе вы изучали два типа сил – гравитационные (всемирного тяготения) и электромагнитные на примере электростатического взаимодействия частиц. Оба эти типа сил имеют одинаковую зависимость от расстояния между взаимодействующими частицами – силы убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, а потенциалы – обратно пропорционально первой степени расстояния. И оба эти типа сил имеют одинаковую зависимость от зарядов взаимодействующих частиц - гравитационная сила пропорциональна произведению масс (гравитационных зарядов) частиц, а электростатическая сила пропорциональна произведению электрических зарядов частиц.
Этот удивительнейший факт одинаковых функциональных зависимостей двух разных по своей природе типов взаимодействий дает основания сравнивать их интенсивности на любых расстояниях и, в том числе, на наиболее естественном природном примере. Таковым, на мой взгляд, является пример взаимодействующих протона и электрона в атоме водорода. Отношение интенсивностей этих сил в атоме водорода есть (при оценке используем систему единиц измерений СГС) :
Fграв/Fэлектр = Gmpme/e² ≈ 0,44*10-39. (1)
Гравитационные силы в атоме водорода почти на 40 порядков слабее электростатических! Теперь понятно, почему в атомной физике, химии и биологии на гравитационные силы никто не обращает внимание. Но в движении макроскопических тел, являющихся в практическом плане электрически нейтральными, гравитация может выходить на первый план. Особенно для движущихся в космосе тел.
Гравитационные и электромагнитные силы принято называт дальнодействующими. Формально, то есть, математически, это видно из того факта, что сумма (интеграл) сил от некоего «заряда» по сфере любого радиуса, в центре которого находится этот заряд, не зависит от радиуса. Реально это связано с тем, что эти силы (точнее – изменения потенциалов этих полей) распространяются в пространстве со скоростью света.
2. Сильное (ядерное) взаимодействие.
Только в 30-х годах прошлого века пришли к пониманию о существовании третьего типа сил – сильного или ядерного взаимодействия. Именно оно удерживает протоны и нейтроны в ядрах атомов, а кварки – в протонах и нейтронах. Характерный потенциал сил ядерного взаимодействия имеет вид (потенциал Юкавы):
U(r) = – k*exp( – r/rо)/r, (2)
где k – некий коэффициент, а rо ≈ 10↑(-13) см – характерный размер протона и нейтрона. А коэффициент k таков, что в пределах r < rо силы ядерного взаимодействия интенсивнее электростатических примерно на два порядка (в сотню с небольшим раз). Но на расстояниях r > 5rо (е↑5 ~ 150) силы ядерного взаимодействия оказываются уже слабее электростатических.
Знак минус в потенциале Юкавы говорит о том, что ядерные силы есть силы притяжения. Именно они удерживают протоны и нейтроны в ядрах атомов, противодействуя силам электростатического отталкивания между протонами. Но быстрое убывание ядерных сил с расстоянием между частицами приводит к тому, что при r > 5rо силы электростатического отталкивания между протонами становятся больше ядерных. Возможно поэтому атомов с ядрами, в которых протонов больше чем примерно 120-130 (такое ядро будет иметь радиус r ~ 5rо), существовать просто не может – силы электростатического отталкивания их создать не дадут. По этой причине ядерные силы называют короткодействующими.
3. Слабое взаимодействие.
Есть еще один тип короткодействующих сил – силы слабого взаимодействия. На практике человек познал их еще с момента открытия радиоактивности. Это взаимодействие ответственно, в основном, за распады частиц. Но как особый тип взаимодействия этот тип сил был понят примерно через полвека после открытия радиоактивности. Характерный масштаб действия таких сил на три порядка меньше размера протона, то есть равен по порядку величины 10↑(-16) см. Поэтому вид их потенциала толком не изучался.
Journal information