لم تعد البروتونات والنيترونات والإلكترونات أصغر مكونات في الذرّة كما اعتَدنا، فقد وُجد أن هذه الجسيمات تتكون من جسيمات أخرى أصغر منها، وتسمى بالجسيمات الأولية أو الفرميونات، وهي الجسيمات التي تشكل المادة في الكون، فما هي الفرميونات وهل تتكون من أجزاء أصغر منها، وما الفرق بينها وبين البوزونات
ما هي الفرميونات
- الفرميون هو أي جسيم ذو دوران عدد فردي نصف صحيح (مثل 1/2، 3/2، وهكذا)، وتنقسم إلى الكواركات Quarks واللبتونات Lepton، وكذلك معظم الجسيمات المركبة، مثل البروتونات والنيوترونات، هي فرميونات.
- لأسباب لا نفهمها تمامًا، فإن نتيجة الدوران الفردي لنصف عدد صحيح هو أن الفرميونات تخضع لمبدأ استبعاد باولي، وبالتالي لا يمكن أن تتعايش في نفس الحالة، وفي نفس الموقع، ونفس الوقت.
- تعد الفرميونات هي المكون لـ البوزونات، وهي تلك الجسيمات التي لها عدد صحيح مغزلي (0 ، 1 ، 2 …).
- جميع الجسيمات الحاملة للقوة هي بوزونات، وكذلك تلك الجسيمات المركبة التي تحتوي على عدد زوجي من جسيمات الفرميون (مثل الميزونات).
- كما أن نواة الذرة تتكون من فرميون أو بوزون، اعتمادًا على ما إذا كان العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات فيها فرديًا أم زوجيًا على التوالي، وقد اكتشف علماء الفيزياء مؤخرًا، أن هذا قد تسبب في سلوك غريب جدًا في ذرات معينة في ظل ظروف غير عادية، مثل الهيليوم شديد البرودة.
اقرأ أيضا: ما هو الغاز المثالي
ما هي الفرميونات والبوزونات
- البوزونات، التي سميت على اسم الفيزيائي الهندي ساتيندرا ناث بوز، هي المتوافقة مع عالم الجسيمات، والفوتونات طفلها الملصق، من الناحية الفنية، فإن البوزونات يُظهرون احتمالًا مُحسَّنًا ليكونوا في نفس الحالة الكمومية.
- بشكل عام، إنهت قادرة على شغل نفس موقع الحالة الكمومية، أي أنهم يمكن أن يتواجدوا الموقع نفسة والوقت نفسه، وفعل الشيء نفسه، مثال على ذلك، شعاع الليزر، إنه مصنوع من عدد لا يحصى من الفوتونات تتحرك جميعها في نفس الاتجاه، وتظهر نفس اللون.
- أما الفرميونات، التي سميت على اسم الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي، إتخضع لمبدأ استبعاد باولي الذي ينص على أنه لا يمكن لاثنين من الفرميونات أن يتواجدا في الموقع نفسه، وبالتالي فإها ترفض احتلال نفس الحالة الكمية، أو لتوسيع نطاق القياس.
- نظرًا لعدم وجود اثنين من الفرميونات في نفس الحالة، يتم إجبارهم على الدخول في القذائف المختلفة حول ذراتهم، وينتج عن هذا الترتيب المقيد جميع العناصر الموجودة في الجدول الدوري، إلى جانب خواصها الكيميائية المبهرة.
- يُنظر إلى الفرميونات عمومًا على أنها جسيمات مادة: الكواركات التي تتحد لتشكل البروتونات والنيوترونات، والليبتونات، والتي تشمل الإلكترونات، والميونات، والنيوترينوات عديمة الكتلة تقريبًا، والتي نادرًا ما تتفاعل مع المادة الأخرى.
- من ناحية أخرى، فإن البوزونات هي الجسيمات “الحاملة للقوة”: الفوتونات، والغلوونات، والبوزونات Z و W.
- تتبادل الفرميونات هذه الجسيمات فيما بينها لتوليد القوى الكهرومغناطيسية، والقوية والضعيفة على التوالي، (من المفترض أن يكون هناك جرافيتون للجاذبية، لكن لم يتم اكتشافه بعد).
ما هو الفرق بين الفرميونات والبوزونات
- لعدة قرون كان العلماء في حيرة من ازدواجية ظاهرية في الطبيعة، بين المادة والضوء، في أوائل القرن العشرين، قامت ميكانيكا الكم أخيرًا بتوحيد العالمين، من خلال إظهار أن كلاً من الإلكترون والفوتون يخضعان لنفس المعادلات الرياضية، في ظل ظروف معينة، يمكن أن يتصرف كل منها مثل جسيم أو موجة ضوئية.
- حتى الآن لا يوجد مفهوم نظري قاطع يتنبأ بأي الجسيمات هي بوزونات، وأي الجسيمات فيرميونات، ولكن من الناحية التجريبية يبدو أن لها علاقة كبيرة بتدوير الجسيمات.
- تسمى الجسيمات ذات الدالة الموجية المتماثلة بوزونات، أولئك الذين لديهم وظيفة موجية مضادة متماثلة تسمى الفرميونات.
- في ظل ظروف معينة، يمكن أن تصبح الفرميونات بوزونات (هذه هي الطريقة التي تتكون بها السوائل الفائقة)، الفرق الأساسي بين الاثنين هو أنه تحتوي جميع البوزونات على عدد صحيح مغزلي يساوي 0 أو 1 أو 2، بينما تحتوي الفرميونات على عدد دوران نصف صحيح، مثل 1/2 أو 3/2.
- في بعض الجوانب، يكون للبوزونات والفرميونات سمات معاكسة، الجانب الأكثر أهمية هو أن اثنبن من الفرميونات لا يمكنهما احتلال نفس الحالة الكمومية .
- كمثال يمكننا أخذ أي ذرة من الجدول الدوري، تتكون الذرات من نواة و قذيفة الإلكترون، الإلكترونات لها دوران ½ وبالتالي فهي فرميونات، نظرًا لطبيعتها الفرميونية، فإنها لا تستطيع احتلال نفس الحالة الكمومية، ولهذا السبب تبني مدارات مختلفة حول الذرة، وإلا فسيكون من الصعب تفسير سبب عدم تجمع جميع الإلكترونات في الذرة في أدنى مدار لأنها تحتوي على أدنى مستوى.
- وفي المقابل إن أهم ما يميز البوزونات أنها تكون تكاثف بوز- عند درجات الحرارة المنخفضة، إذ أنه عند درجات الحرارة المنخفضة، تميل مجموعات كبرى من البوزونات إلى شغل نفس الحالة الكمومية.
اقرأ أيضا: ما هو مفهوم الذرة
ما الفرق بين الفرميون والأيون
- حتى وقت قريب، كانت البوزونات والفرميونات هي الفئات الوحيدة المثبتة من الجسيمات، وكلاهما يسكن الفضاء ثلاثي الأبعاد الذي نعرفه.
- لكن من الناحية الرياضية، كان هناك دائمًا احتمال آخر: الجسيمات محصورة في بعدين، والتي يطلق عليها الأيونات، بالمعنى الدقيق للكلمة، هم أشباه جسيمات، أو جسيمات ناشئة – الإثارة التي تنشأ من نشاط الجسيمات الأخرى في المادة.
- من المستحيل أن توجد هذه الأيونات خارج المواد بمفردهم، فهي لا تتناسب مع قالب الإلكترونات والفوتونات.
