تعريف الفرميون
الفرميون – في فيزياء الجسيمات- هو نوع من الجسيمات ، يخضع لقوانين إحصائيات (فيرمي – ديراك) التي تسمى بمبدأ (استبعاد باولي). تمتلك هذه الفرميونات دورانًا مغزليًا كميًا بقيمة نصف عدد صحيح، مثل: (1/2، -1/2، -3/2) وهكذا دواليك، على سبيل المقارنة، هناك أنواع أخرى من الجسيمات، تسمى (البوزونات)، وهي تمتلك دورانًا مغزليًا بقيمة عدد صحيح، مثل: (0، 1، -1، -2، 2) إلخ.
ما الذي يجعل الفرميونات مميزةً للغاية؟
يُطلق على الفرميونات أحيانًا اسم (جسيمات المادة)؛ كونَها تُشكِل معظم ما نعتقد بأنه مادة فيزيائية في عالمنا، بما في ذلك البروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات.
لقد تنبأ الفيزيائي (فولفغانغ باولي – Wolfgang Pauli) بالفرميونات لأول مرة عام 1925م، وكان يحاول بذلك معرفة كيفية تفسير التركيب الذري الذي اقترحه (نيلز بور – Niels Bohr) عام 1922م.
استخدم بور الدليلَ التجريبي لبناء نموذج ذري يحتوي على أغلفة إلكترونية، الذي يخلق مدارات مستقرة للإلكترونات؛ للتنقل حول النواة الذرية، وعلى الرغم من أن هذا يتطابق بشكل جيد مع الأدلة، فإنه لم يكن هناك سبب محدد لجعل هذه البنية مستقرة، وهذا هو التفسير الذي كان يحاول باولي الوصول إليه.
أدرك باولي أنه إذا قمت بتخصيص أرقام كمية -سُمِّيت لاحقًا بالدوران المغزلي الكمي- لهذه الإلكترونات، فسيبدو أن هناك نوع من المبدأ الذي يعني أنه لا يمكن أن يكون هناك إلكترونان في الحالة نفسها تمامًا -عُرِفت هذه القاعدة فيما بعد باسم مبدأ استبعاد باولي.
في عام 1926م، حاول (إنريكو فيرمي – Enrico Fermi)، و(باول ديراك – Paul Dirac) بشكل مستقل، فهم الجوانب الأخرى لسلوك الإلكترون المتناقض ظاهريًا، وللقيام بذلك أنشَؤُوا طريقةً إحصائيةً أكثر اكتمالًا للتعامل مع الإلكترونات.
مع أن فيرمي هو من طوّر النظام أولاً، كان هو وديراك متقاربين بما يكفي، وقام كلاهما بعملٍ كافٍ، أُطِلق عليه -فيما بعد- طريقة إحصاء (فيرمي – ديراك)، رغم أن الجسيمات نفسها سُميت باسم فيرمي نفسه. حقيقة أن الفرميونات لا يمكن أن تنهار جميعًا في الحالة نفسها أمرٌ مهم للغاية، وهذا هو المعنى النهائي لمبدأ استبعاد باولي.
تنهار الفرميونات داخل الشمس -وجميع النجوم الأخرى- تحت قوّة الجاذبية الشديدة، لكن لا يمكن أن تنهار تمامًا؛ بسبب مبدأ استبعاد باولي، ونتيجةً لذلك يتولد ضغط يقاوم انهيار الجاذبية لمادة النجم، هذا الضغط هو الذي يولد حرارة الشمس التي تغذي كوكبنا، بالإضافة للكثير من الطاقة في باقي أنحاء الكون، بما في ذلك تكوين العناصر الثقيلة، كما هو موصوف في التخليق النووي النجمي.
الفرميونات الأساسية
هناك مجموعة تتكون من 12 فرميونًا أساسيًا -أي لا تتكون من جسيمات أصغر- محددةً تجريبيًا، وتُقسَّم على مجموعتين:
الكواركات: هي الجسيمات التي تشكل الهدرونات، مثل: البروتونات والنيوترونات، وهناك ستة أنواع متميزة منها، وهي: (الكوارك العلوي، والكوارك الساحر، والكوارك القمي، والكوارك السفلي، والكوارك الغريب، والكوارك القعري).
اللبتونات: ومنها ستة أنواع، هي: (الإلكترون، وإلكترون نيوترينو، والميون، وميون نيوترينو، وتاو، وتاو نيوترينو).
بالإضافة إلى هذه الجسيمات، تتنبأ نظرية التناظر الفائق بأن كل بوزون سيكون له نظير فرميوني لم يُكتَشف حتى الآن، ونظرًا لوجود أربعة إلى ستة بوزونات أساسية، فيُقتَرح بأن -إذا كان التناظر الفائق صحيحًا- هناك من أربعة إلى ستة فرميونات أساسية لم تُكتشف بعد؛ كون أنها غير مستقرة إلى حد كبير، وتتحلل إلى أشكال أخرى.
الفرميونات المركبة
إضافةً إلى الفرميونات الأساسية، يمكن تكوين فئة أخرى من الفرميونات عبر دمجها معًا – أو مع البوزونات- للحصول على جسيم ناتج، له دوران مغزلي بقيمة نصف عدد صحيح.
يُضاف الدوران المغزلي الكمي تباعًا؛ لذلك تُظهر بعض الرياضيات الأساسية أن أي جُسيْم يحتوي على عدد فردي من الفرميونات سينتهي بدوران مغزلي بقيمة نصف عدد صحيح، ومن ثم سيكون فرميونًا بنفسه، وهنا بعض الأمثلة التي تشمل على:
الباريونات: وهي جسيمات مثل: (البروتونات والنيوترونات)، تتكون من ثلاثة كواركات مرتبطة معًا، ونظرًا لأن كل كوارك لديه دوران مغزلي بقيمة نصف عدد صحيح، فإن الباريون الناتج يكون دائمًا لديه دوران مغزلي بقيمة نصف عدد صحيح، بصرف النظر عن الأنواع الثلاثة من الكواركات التي تُجمَع معًا لتكوينه.
الهليوم 3: يحتوي على بروتونين ونيوترون واحد في النواة، بالإضافة إلى إلكترونين يدوران حوله، ونظرًا لوجود عدد فردي من الفرميونات، فإن الدوران المغزلي الناتج هو بقيمة نصف عدد صحيح، وهذا يعني أن (الهليوم 3)، هو فرميون أيضًا.
اقرأ أيضًا:
تعرف على الحالة الخامسة للمادة: تكاثف بوز – أينشتاين
ترجمة: سرمد يحيى
تدقيق: أسماء العجوري
