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弱相互作用力简介

自然界有四大力：引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力.四大力中只有引力没有发现传播它的玻色子，其余的都由玻色子传播，如电磁力，可以这样说，宏观世界中几乎除了引力便是电磁力.光子便是传播电磁力的玻色子，其传播的电磁波便是光.说完引力与电磁力，再来说说弱相互作用力，它主要表现为衰变，也就是放射性元素放出一个粒子从而转变为另一个元素的过程，即一个不稳定的原子核放出一个粒子，例如中子变为稳定的原子核.传播这种力的是W玻色子和Z玻色子.弱相互作用力有几个特点，一是唯一能改变夸克味的方式；二是违反了宇称守恒定律.

先来讲讲夸克的味，味是夸克的种类，夸克有六味也就是有六个不同的种类：上夸克、下夸克、奇异夸克、顶夸克、粲夸克、底夸克，这是由于它们自旋角度与能量等因素不同所导致出现不同的六味，而衰变可改变其味.再来说说宇称守恒定律，宇称守恒定律是物理学界别的重要定律，通俗讲就是一个粒子照镜子，镜像中除自旋角度与现实相反之外，其余的方面（自身所含的能量、种类等）都相同.只有弱相互作用力能打破这种局面，使宇称不守恒.在衰变后，粒子各方面都会有一些变化，镜像与现实便不再相同.

再来说说强相互作用力，它有两种表现形式：①在一些费米子，如夸克之间；②在核子（中子与质子之间）.强相互作用力由介子传播.先来说说①，想象有两个粒子，一根橡皮绳将它俩连接在一起，而这根橡皮绳就是强相互作用力①的表现形式，当两个粒子离得很近时，橡皮绳没有受力，所以两个粒子就可以行动自如，而当两个粒子离得很远时，橡皮绳就开始受力，运用自身弹力将两个粒子拉回来；再来说说②，在中子与质子之间的强相互作用力，而这种力就比①要弱一些，也与①正好相反：两个粒子离得越近，力便越大，离得越远，力便越小，这有利于其形成原子核.

弱力是在基本粒子之间还存在另一种短程相互作用力，弱力的作用距离比强力更短，作用力的强度仅力强力的10-13倍.弱力在β衰变中起重要作用，β衰变中放出电子和中微子，电子和中微子之间只有弱力作用，弱力也存在其它基本粒子之间.

费米作了一个大胆的尝试，他假定：从质子到中子的衰变过程，是由于自然界中某种新的力引起的.经过一番琢磨，费米得出了几个新颖奇特的结论：

1.这个力要比电磁力弱10¹¹倍，但比万有引力要强得多；2.这个力只能发生在四个自旋为二分之一的基本粒子之间；3.这个力的作用力程非常短，几乎为零，即参与相互作用的粒子彼此一离开，力就迅速地消失了.

弱力没有本领把任何粒子束缚在一个较复杂的体系中，它只存在于一些粒子发生衰变和浮获的一瞬间，粒子之间一离开，弱力马上就消失.

在已经发现的自然力中，弱力是最独特的一种，费米理论在解释弱作用过程中，尽管得到成功；但他提出：弱力只发生在基本粒子直接接触的一霎那间. 　　人们认为自然界果真是存在着一种新的自然力——弱力.费米也因创立了弱力理论而闻名天下，他的理论得到了举世公认.

50年代末，李政道、费曼和盖尔曼等人，提出了一种新的理论——荷电中间玻色子理论.这种理论的建立，在相当大的程度上是基于电磁理论的启发.从中间玻色子理论来看，弱力和电磁力之间，只要把“电荷”换成“弱荷”，把“电流”换成“弱流”，把传递电磁力的“光子”换成传弱递力的“中间玻色子”，就立即可以得到有关弱力理论的新概念.弱力被描写成交换一种叫中间荷电玻色子（这种中间荷电玻色子记作W±粒子）的过程，根据测不准关系，作用力的力程与交换的粒子的质量成反比.（测不准关系即一个微观粒子和某些成对的物理不可能同时具有确定的数值，其中一个量愈确定，则另一个量的不确定程度就愈大.）电磁力和引力的作用力程为无限大，被交换的光子和猜想的引力子的质量为零.而弱力的作用力程如此之短（小于10^-15厘米），那么，被交换的W±粒子的质量必然很大.理论计算出这种粒子的质量，约为质子质量的75倍，为几亿电子伏特.正因为中间玻色子太重，现在的高能加速器很难把它产生出来，弱力的中间玻色理论，和费米理论一样，也可以用来解释基本粒子中的弱过程，并且很难区分哪一种理论更好些.从上面所说的弱力的最基本性质之一就是：弱力是在基本粒子之间存在的一种短程相互作用力.弱力的作用距离比强力更短，只发生在基本粒子直接接触的一霎那间.粒子之间一离开，弱力马上就消失.

对于弱相互作用力来说，表现为中子的β衰变.即：中子衰变成质子、电子与电子中微子.上个世纪末，在发现β衰变的时候，关于弱相互作用是一个不同的物理作用力的想法，其演化是很缓慢的.只有当实验上发现了其它弱作用，如μ衰变，μ俘获等等，并且理论上认识到所有这些作用能够近似地用同一个耦合常数来描述之后，这一看法才变得明朗起来，才产生了普适的弱相互作用的看法.只有在此之后，人们才慢慢地认识到，弱相互作用力形成一个独立的领域，或许可与万有引力，电磁力和强作用核力及亚核力等等量齐观.最早观察到的原子核的β衰变是弱作用现象.弱作用仅在微观尺度上起作用，其力程最短，其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位.其对称性较差，许多在强作用和电磁作用下的守恒定律都遭到破坏（见对称性和守恒定律），例如宇称守恒在弱作用下不成立.弱作用的理论是电弱统一理论，弱作用通过交换中间玻色子(W+/-，Z)而传递.弱作用引起的粒子衰变称为弱衰变，弱衰变粒子的平均寿命大于10^-13s.在费曼图中表现为：中子与电子中微子发生碰撞，在碰撞过程中发生了力的作用，这种力就是弱相互作用力.碰撞后的中子改变方向，其固有能量与动量都发生改变，变成了质子（准确的说是：碰撞后中子改变运动方向，与观测时空成角，被观测成了质子）.同样，电子中微子也改变方向，固有能量与动量也发生改变，变成了电子（准确的来说是：碰撞后电子中微子改变运动方向，与观测时空成角，被观测成了电子）.

弱作用场存在于基本粒子的内部.弱力作用于所有的夸克和轻子.我们来看图1.

弱作用改变粒子

图1弱作用场

弱相互作用由三种基本类型：轻子—轻子过程，即只有轻子参与的弱作用，又称为纯轻子过程.如轻子的衰变、中微子与带电轻子的散射等，，.轻子—强子过程，既有轻子又有强子参与的弱作用，又称为半轻子过程.如电子中微子和中子的散射，.强子—强子过程，即只有强子参与的弱作用，又称为强子过程.如强子的衰变，.

先说一下轻子.轻子有三种：电子、轻子和轻子.它们具有相同的自旋和相同的电荷.轻子比电子重约200多倍，轻子比电子重约3500倍.轻子就是这三种粒子的统称.弱力主要的效应是改变粒子，粒子的质量会发生改变.例如弱力导致轻子衰变成比它轻的轻子、轻子在弱作用下变为电子.弱力的强度比电磁力小得多，只有电磁场强度的千分之一.弱力作用范围很小，目前认为小于厘米.量子味动力学也是在量子电动力学基础上建立的描述基本粒子之间弱相互作用的理论.