In der Physik sind die fundamentalen Wechselwirkungen , auch als fundamentale Kräfte bekannt , Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen, die nicht auf grundlegendere Wechselwirkungen reduzierbar zu sein scheinen. Diese Wechselwirkungen bestimmen, wie Partikel und auch makroskopische Objekte interagieren und wie bestimmte Partikel zerfallen. Im Allgemeinen können sie in eine von vier Grundkräften eingeteilt werden :
Starke Interaktion – Starke Kraft
Die starke Wechselwirkung oder starke Kraft ist eine der vier Grundkräfte und beinhaltet den Austausch der als Gluonen bekannten Vektor- Messbosonen . Im Allgemeinen ist die starke Wechselwirkung eine sehr komplizierte Wechselwirkung, da sie mit der Entfernung erheblich variiert. Die starke Kernkraft hält die meisten gewöhnlichen Materien zusammen, weil sie Quarks in Hadronenteilchen wie Proton und Neutron einschließt . Darüber hinaus ist die starke Kraft die Kraft, die einen Kern gegen die enormen Abstoßungskräfte ( elektromagnetische Kraft) zusammenhalten kann) der Protonen ist in der Tat stark. Unter diesem Gesichtspunkt müssen wir unterscheiden zwischen:
- Grundlegende starke Kraft. Die fundamentale starke Kraft oder die starke Kraft ist eine Kraft mit sehr kurzer Reichweite (weniger als etwa 0,8 fm, der Radius eines Nukleons), die direkt zwischen Quarks wirkt . Diese Kraft hält Quarks zusammen , um Protonen, Neutronen und andere Hadronenteilchen zu bilden. Die starke Wechselwirkung wird durch den Austausch von masselosen Partikeln vermittelt, die als Gluonen bezeichnet werden und zwischen Quarks, Antiquarks und anderen Gluonen wirken.
- Verbleibende starke Kraft. Die verbleibende starke Kraft, auch als Kernkraft bekannt , ist eine Kraft mit sehr kurzer Reichweite (etwa 1 bis 3 fm), die Neutronen und Protonen in Kernen zusammenhält. In Kernen wirkt diese Kraft gegen die enorme abstoßende elektromagnetische Kraft der Protonen. Der Begriff Residuum ist mit der Tatsache verbunden, dass er das Residuum der fundamentalen starken Wechselwirkung zwischen den Quarks ist, aus denen die Protonen und Neutronen bestehen. Die verbleibende starke Kraft wirkt indirekt über die virtuellen π- und ρ-Mesonen , die die Kraft zwischen den Nukleonen übertragen, die den Kern zusammenhalten.
Schwache Interaktion – Schwache Kraft
Die schwache Wechselwirkung oder schwache Kraft ist eine der vier Grundkräfte und beinhaltet den Austausch der Zwischenvektorbosonen W und Z. Da diese Bosonen sehr massiv sind (in der Größenordnung von 80 GeV), schreibt das Unsicherheitsprinzip einen Bereich von vor etwa 10 bis 18 Meter, was weniger als der Durchmesser eines Protons ist. Infolgedessen findet die schwache Wechselwirkung nur in sehr kleinen subatomaren Abständen statt.
Die schwache Wechselwirkung, die für einige Kernphänomene wie den Beta-Zerfall verantwortlich ist , kann anhand der schwachen Kraft verstanden werden, die auf die Quarks innerhalb des Neutrons wirkt . Ein von zwei nach unten Quark Veränderungen in einen up Quark durch eine W Emittieren – Bosonen (trägt eine negative Ladung entfernt). Das W – Boson zerfällt dann in ein Beta – Teilchen und ein Antineutrino . Dieser Prozess entspricht dem Prozess, bei dem ein Neutrino mit einem Neutron interagiert.
Elektromagnetische Wechselwirkung – Elektromagnetische Kraft
Die elektromagnetische Kraft ist die Kraft, die für alle elektromagnetischen Prozesse verantwortlich ist. Es wirkt zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Es ist eine Kraft mit unendlicher Reichweite, die viel stärker als die Gravitationskraft ist und dem inversen Quadratgesetz folgt, aber weder Elektrizität noch Magnetismus addieren sich so wie die Gravitationskraft. Da es positive und negative Ladungen (Pole) gibt, heben sich diese Ladungen gegenseitig auf. Elektromagnetismus umfasst die elektrostatische Kraft, die zwischen geladenen Teilchen in Ruhe wirkt, und die kombinierte Wirkung von elektrischen und magnetischen Kräften, die zwischen geladenen Teilchen wirken, die sich relativ zueinander bewegen.
Das Photon , das Quantum der elektromagnetischen Strahlung , ist ein Elementarteilchen, das der Kraftträger der elektromagnetischen Kraft ist. Photonen sind Messbosonen ohne elektrische Ladung oder Ruhemasse und eine Spineinheit. Allen Photonen gemeinsam ist die Lichtgeschwindigkeit , die universelle Konstante der Physik. Im leeren Raum bewegt sich das Photon mit c ( Lichtgeschwindigkeit – 299 792 458 Meter pro Sekunde ).
Kräfte zwischen statischen elektrisch geladenen Teilchen unterliegen dem Coulombschen Gesetz . Das Coulombsche Gesetz kann verwendet werden, um die Kraft zwischen geladenen Teilchen (z. B. zwei Protonen) zu berechnen. Die elektrostatische Kraft ist direkt proportional zu den elektrischen Ladungen der beiden Teilchen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Teilchen. Das Coulombsche Gesetz wird als folgende Gleichung angegeben.
Sowohl das Coulombsche Gesetz als auch die Magnetkraft sind im Lorentzkraftgesetz zusammengefasst. Grundsätzlich sind sowohl magnetische als auch elektrische Kräfte Manifestationen einer Austauschkraft, die den Austausch von Photonen beinhaltet.
Die elektromagnetische Kraft spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der inneren Eigenschaften der meisten Objekte, denen man im täglichen Leben begegnet. Die chemischen Eigenschaften von Atomen und Molekülen werden durch die Anzahl der Protonen bestimmt, tatsächlich durch die Anzahl und Anordnung der Elektronen .
Gravitationsinteraktion – Gravitationskraft
Die Schwerkraft war die erste Kraft, die wissenschaftlich untersucht wurde. Die Gravitationskraft wurde im 17. Jahrhundert von Isaac Newton systematisch beschrieben. Newton stellte fest, dass die Gravitationskraft zwischen allen Objekten mit Masse (einschließlich Objekten von Atomen und Photonen bis hin zu Planeten und Sternen) wirkt und direkt proportional zu den Massen der Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Körpern ist. Da Energie und Masse gleichwertig sind , verursachen alle Energieformen (einschließlich Licht) Gravitation und stehen unter deren Einfluss. Der Bereich dieser Kraft ist ∞ und sie ist schwächer als die anderen Kräfte. Diese Beziehung ist in der folgenden Gleichung gezeigt.
Die Gleichung zeigt, dass die Gravitationskraft umso größer ist, je größer die Massen der Objekte oder je kleiner der Abstand zwischen den Objekten ist . Obwohl die Masse der Nukleonen sehr klein ist, kann die Tatsache, dass der Abstand zwischen den Nukleonen extrem kurz ist, die Gravitationskraft signifikant machen. Die Gravitationskraft zwischen zwei Protonen, die durch einen Abstand von 10 bis 20 Metern voneinander getrennt sind, beträgt etwa 10 bis 24 Newton. Die Schwerkraft ist die schwächste der vier fundamentalen Kräfte der Physik, ungefähr 10 38 mal schwächer als die starke Kraft. Andererseits ist die Schwerkraft additiv. Jeder Materiefleck, den Sie in einen Klumpen legen, trägt zur Gesamtschwerkraft des Klumpens bei. Da es sich auch um eine sehr weitreichende Kraft handelt, ist sie auf makroskopischer Ebene eine dominierende Kraft und die Ursache für die Bildung, Form und Flugbahn (Umlaufbahn) astronomischer Körper.
Vier grundlegende Naturkräfte
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