تعريف فرميون في الفيزياء

في فيزياء الجسيمات ، أ فرميون هو نوع من الجسيمات التي تخضع لقواعد إحصائيات Fermi-Dirac ، وهي مبدأ استبعاد باولي. هذه الفرميونات لها أيضا تدور الكم مع يحتوي على قيمة نصف عدد صحيح ، مثل 1/2 ، -1/2 ، -3/2 ، وهكذا. (وبالمقارنة ، هناك أنواع أخرى من الجسيمات تسمى بوزونات، التي لها عدد صحيح ، مثل 0 ، 1 ، -1 ، -2 ، 2 ، إلخ.)

تسمى الفرميونات في بعض الأحيان جسيمات المادة ، لأنها الجسيمات التي تشكل معظم ما نعتقد أنه مادة مادية في عالمنا ، بما في ذلك البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

تم توقع فيرميون لأول مرة في عام 1925 من قبل الفيزيائي فولفجانج باولي ، الذي كان يحاول معرفة كيفية تفسير البنية الذرية المقترحة في عام 1922 من قبل نيلز بور. استخدم بوهر أدلة تجريبية لبناء نموذج ذري يحتوي على قذائف إلكترونية ، مما أدى إلى إنشاء مدارات مستقرة للإلكترونات للتحرك حول النواة الذرية. على الرغم من أن هذا يتطابق بشكل جيد مع الأدلة ، لم يكن هناك سبب محدد لاستقرار هذه البنية وهذا هو التفسير الذي كان باولي يحاول الوصول إليه. أدرك أنه إذا قمت بتعيين أرقام كمية (سميت لاحقًا تدور الكم

في عام 1926 ، حاول إنريكو فيرمي وبول ديراك بشكل مستقل فهم جوانب أخرى من سلوك الإلكترون المتناقض على ما يبدو ، وبذلك ، أنشأ طريقة إحصائية أكثر اكتمالًا التعامل مع الإلكترونات. على الرغم من أن فيرمي طور النظام أولاً ، إلا أنهما كانا قريبين بما فيه الكفاية وقام كلاهما بما يكفي من العمل الذي قامت به الأجيال القادمة أطلق عليها اسم طريقة إحصائية Fermi-Dirac ، على الرغم من أن الجسيمات نفسها سميت باسم Fermi نفسه.

حقيقة أن الفرميونات لا يمكن أن تنهار كلها في نفس الحالة - مرة أخرى ، هذا هو المعنى النهائي لمبدأ استبعاد باولي - مهم جدًا. تنهار الفرميونات داخل الشمس (وجميع النجوم الأخرى) معًا تحت قوة الجاذبية الشديدة ، لكن لا يمكنها الانهيار تمامًا بسبب مبدأ استبعاد باولي. ونتيجة لذلك ، هناك ضغط يولد ضد انهيار الجاذبية للمادة النجمية. هذا الضغط هو الذي يولد الحرارة الشمسية التي لا تغذي كوكبنا فقط ولكن الكثير من الطاقة في بقية الكون... بما في ذلك تشكيل العناصر الثقيلة ، كما هو موضح من قبل تركيب النوى نجمي.

هناك ما مجموعه 12 فرميونات أساسية - فيرميونات لا تتكون من جزيئات أصغر - تم تحديدها تجريبيًا. تنقسم إلى فئتين:

• جسيمات دون الذرية - الكواركات هي الجسيمات التي يتكون منها الهدرونات ، مثل البروتونات والنيوترونات. هناك 6 أنواع متميزة من الكواركات:
  • • يصل Quark
  • سحر كوارك
  • توب كوارك
  • داون كوارك
  • كوارك غريب
  • كوارك القاع
• اللبتونات - هناك 6 أنواع من اللبتونات:
  • • إلكترون
  • إلكترون نيوترينو
  • ميون
  • Muon Neutrino
  • تاو
  • تاو نيوترينو

بالإضافة إلى هذه الجسيمات ، تتوقع نظرية التناظر الفائق أن يكون لكل بوزون نظير فرميوني غير مكتشف حتى الآن. نظرًا لوجود 4 إلى 6 بوزونات أساسية ، فإن هذا يشير إلى أنه - إذا كان التناظر الفائق صحيحًا - فهناك 4 إلى 6 بوزونات أخرى الفرميمات الأساسية التي لم يتم اكتشافها بعد ، من المفترض أنها غير مستقرة للغاية وانحطمت إلى أخرى نماذج.

ما وراء الفرميونات الأساسية ، يمكن إنشاء فئة أخرى من الفرميونات من خلال الجمع بين الفرميونات معًا (ربما مع البوزونات) للحصول على جسيم ناتج مع دوران نصف صحيح. تتجمع الس spينات الكمومية ، لذا تُظهر بعض الرياضيات الأساسية أن أي جسيم يحتوي على غرابة عدد الفرميونات سينتهي بدوران نصف عدد صحيح ، وبالتالي سيكون فرميون بحد ذاتها. تتضمن بعض الأمثلة:

• باريون - هذه جسيمات ، مثل البروتونات والنيوترونات ، تتكون من ثلاثة كواركات مترابطة معًا. نظرًا لأن كل كوارك له نصف عدد صحيح ، فإن الباريون الناتج سيكون له دائمًا نصف عدد صحيح ، بغض النظر عن ثلاثة أنواع من الكواركات التي تتحد معًا لتكوينها.
• الهيليوم -3 - يحتوي على بروتونين ونيوترون واحد في النواة ، مع إلكترونين يدوران حولها. نظرًا لوجود عدد فردي من الفرميونات ، فإن الدوران الناتج هو قيمة نصف عدد صحيح. وهذا يعني أن الهيليوم -3 هو فرميون أيضًا.

حررت بواسطة آن ماري هيلمينستين ، د.