Força de troca - Exchange force

Na física, o termo força de troca tem sido usado para descrever dois conceitos distintos que não devem ser confundidos.

Troca de portadores de força na física de partículas

Artigo principal: Força de transporte

O significado preferido de troca de força é em física de partículas , onde denota uma força produzida pela troca de partículas portadoras de força , como a força eletromagnética produzida pela troca de fótons entre elétrons e a força forte produzida pela troca de glúons entre quarks . A ideia de uma força de troca implica uma troca contínua de partículas virtuais que acompanham a interação e transmitem a força, um processo que recebe sua justificativa operacional através do princípio da incerteza de Heisenberg .


Com essa noção, pode-se pensar na operação das forças como sendo análoga à seguinte situação: Duas pessoas estão em um lago de gelo. Uma pessoa move o braço e é empurrada para trás; um momento depois, a outra pessoa agarra um objeto invisível e é empurrada para trás (repelida). Mesmo que você não possa ver uma bola de basquete, você pode presumir que uma pessoa a jogou para a outra porque você vê o efeito dela nas pessoas. ANIMAÇÃO Outra analogia grosseira freqüentemente usada para explicar atração em vez de repulsão é duas pessoas em um lago de gelo jogando bumerangues uma na outra. O bumerangue é jogado para longe do receptor, mas circula em direção ao receptor na direção do lançador, tanto o lançador quanto o receptor são impulsionados um em direção ao outro pelas ações de arremesso e recepção.

Todas as interações que afetam as partículas de matéria podem ser pensadas como envolvendo uma troca de partículas portadoras de força, um tipo totalmente diferente de partícula, a partícula virtual . Essas partículas podem ser consideradas de forma análoga às bolas de basquete lançadas entre partículas de matéria (que são como os jogadores de basquete). O que normalmente pensamos como "forças" são, na verdade, os efeitos das partículas portadoras de força nas partículas de matéria. A animação do basquete é, claro, uma analogia muito grosseira, pois só pode explicar as forças repulsivas e não dá nenhuma indicação de como a troca de partículas pode resultar em forças de atração. Vemos exemplos de forças atrativas na vida cotidiana (como ímãs e gravidade) e, portanto, geralmente assumimos que a presença de um objeto pode afetar apenas outro objeto. É quando abordamos a questão mais profunda: "Como dois objetos podem afetar um ao outro sem se tocar?" que propomos que a força invisível poderia ser uma troca de partículas portadoras de força. Os físicos de partículas descobriram que podemos explicar a força de uma partícula agindo sobre outra com incrível precisão pela troca dessas partículas portadoras de força. Uma coisa importante a saber sobre os portadores de força é que uma partícula portadora de força em particular só pode ser absorvida ou produzida por uma partícula de matéria que é afetada por aquela força particular. Por exemplo, elétrons e prótons têm carga elétrica, de modo que podem produzir e absorver o portador de força eletromagnética, o fóton. Os neutrinos, por outro lado, não têm carga elétrica, portanto não podem absorver ou produzir fótons.

História

Um dos primeiros usos do termo interação foi em uma discussão de Niels Bohr em 1913 sobre a interação entre o elétron negativo e o núcleo positivo . As forças de troca foram introduzidas por Werner Heisenberg (1932) e Ettore Majorana (1933) para dar conta da saturação da energia de ligação e da densidade nuclear . Isso foi feito em analogia à teoria da mecânica quântica de ligações covalentes , como as existentes entre dois átomos de hidrogênio na molécula de hidrogênio em que a força química é atrativa se a função de onda for simétrica sob a troca de coordenadas dos elétrons e é repulsiva se a onda a função é anti-simétrica a este respeito.

Interação de troca e simetria de estado quântico

Artigo principal: interação de troca

Como outro significado, inteiramente distinto, de força de troca , às vezes é usado como sinônimo de interação de troca , entre elétrons, que surge de uma combinação da identidade das partículas , simetria de troca e força eletrostática .

Para ilustrar o conceito de interação de troca, quaisquer dois elétrons , por exemplo, no universo são considerados partículas indistinguíveis e, portanto, de acordo com a mecânica quântica em 3 dimensões, cada partícula deve se comportar como um bóson ou férmion. No primeiro caso, duas (ou mais) partículas podem ocupar o mesmo estado quântico e isso resulta em uma interação de troca entre elas na forma de atração; neste último caso, as partículas não podem ocupar o mesmo estado de acordo com o princípio de exclusão de Pauli . Da teoria quântica de campos , o teorema da estatística de spin exige que todas as partículas com spin meio inteiro se comportem como férmions e todas as partículas com spin inteiro se comportem como bósons. Assim, acontece que todos os elétrons são férmions, pois têm spin 1/2.

Como consequência matemática, os férmions exibem forte repulsão quando suas funções de onda se sobrepõem, mas os bósons exibem atração. Essa repulsão é o que os modelos de interação de troca. A repulsão de Fermi resulta em "rigidez" dos férmions. É por isso que a matéria atômica é "dura" ou "rígida" ao toque. Onde as funções de onda dos elétrons se sobrepõem, ocorre a repulsão de Pauli. O mesmo é verdade para prótons e nêutrons onde, devido à sua massa maior, a rigidez dos bárions é muito maior do que a dos elétrons.

Veja também

Referências

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