فرمیون: تفاوت میان نسخه‌ها

'''فِرمیون''' ([[زبان انگلیسی|انگلیسی]]: Fermion)، نامیده شده به اسم فیزیکدان ایتالیایی [[انریکو فرمی]]، به ذرات بنیادی با اسپین نیمه گفته می‌شود. اصولا همه ذره‌های اساسی در مکانیک کوانتومی، یا از فرمیون‌ها یا از [[بوزون]]‌ها هستند. الکترون‌ها، لپتون‌ها، نیتریون‌ها و حتی کوارک‌ها همگی فرمیون می‌باشند. به این ترتیب، ذرات تشکیل‌شده از تعداد فردی از فرمیون‌ها نیز، جزو فرمیون‌ها می‌شوند.

در فیزیک ذرات، فرمیون‌ها ذراتی هستند که از[[آمار فرمی–دیراک]]، تبعیت می‌کنند که بر اساس نام انریکو فرمی نام گذاری شده‌است . در مقابل آنها، [[بوزون|بوزونها]] از [[آمار بوز – اینشتین]] پیروی می‌کنند .

در یک لحظهٔ معین، تنها یک فرمیون می‌تواند، یک حالت کوانتومی را اشغال کند که این بیان اصل طرد پاولی است . بدین معنی که اگر بیش از یک فرمیون فضای مشابهی را در فضا اشغال کنند، مشخصهٔ هر فرمیون ( برای مثال [[اسپین]] )، باید از دیگری متفاوت باشد . فرمیون‌ها معمولا" بخش اصلی ماده هستند و بوزون‌ها ذرات حامل نیرو هستند . به هر جهت تمایز بین دو مفهوم در فیزیک کوانتومی نامشخص است .

فرمیون‌ها می‌توانند ذرات بنیادی باشند مانند الکترون یا ترکیبی باشند مثل پروتون . همهٔ فرمیون‌های مشاهده شده، دارای اسپین نیمه صحیح هستند برخلاف بوزون‌ها که اسپین صحیح دارند .

در مدل استاندارد، دو گونه فرمیون بنیادی وجود دارد : [[کوارک|کوارک‌ها]] و [[لپتون|لپتون‌ها]] . در کل ۲۴ فرمیون متفاوت وجود دارد : ۶ کوارک و ۶ لپتون، که هر کدام با پاد ذرهٔ متناظرش همراه است.

* ۱۲ کوارک :

** ۶ ذره (u • d • s • c • b • t ) به همراه ۶ پاد ذرهٔ متناظر (u • d • s • c • b • t )

* ۱۲ لپتون :

** ۶ ذره (e− • μ− • τ− • νe • νμ • ντ ) به همراه ۶ پاد ذرهٔ متناظر (e+ • μ+ • τ+ • νe • νμ • ντ)

فرمیون‌های مرکب، مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها، بخش اساسی و ضروری ماده‌اند .

فعل و انفعالات داخلی ضعیف فرمیون‌ها، می‌تواند همچنین رفتار بوزونی نشان دهد، مثلا" در ابر رسانایی .

طبق تعریف، فرمیون‌ها ذراتی هستند که از [[آمار فرمی-دیراک]] تبعیت می‌کنند . ذراتی که بوسیلهٔ آمار فرمی-دیراک توصیف می‌شوند، از [[اصل طرد پاؤلی]] پیروی می‌کنند.

به این معنی که تمایل ندارند در کنار هم قرار بگیرند، یعنی فرمیون‌ها منزوی هستند و هیچ دو فرمیونی نمی‌تواند در یک لحظهٔ معین، یک حالت کوانتومی را اشغال کنند . این ذرات طبق اصل طرد پائولی هنگامی که در یک حالت کوانتومی قرار می‌گیرند همدیگر را دفع می‌کنند و اگر ذره‌ای در یک حالت کوانتومی خاص قرار گیرد مانع از آن می‌شود که ذره دیگری هم بتواند به آن حالت دسترسی یابد . این امر، باعث سختی و استحکام حالت‌هایی می‌شود که شامل فرمیون هستند ( هسته، اتمها، مولکولها و ... )؛ بنابراین گاهی اوقات گفته می‌شود که فرمیون‌ها بخش اصلی ماده هستند، در حالی که بوزون‌ها ذراتیند که فعل و انفعالات را انتقال می‌دهند ( حاملان نیرو ) یا بخش اصلی تشعشعاتند . میدان‌های کوانتومی فرمیون‌ها، که میدانهای فرمیونیک ( fermionic fields ) نامیده می‌شوند از روابط تبدیل متعارفی و استاندارد، پیروی می‌کنند .

اصل طرد پاولی درمورد فرمیون‌ها و استحکام ناشی از آن در ماده، منجر می‌شود به پایداری لایه‌های الکترون و ترکیب اتم‌ها و بنابراین ساخت ترکیبات شیمی ممکن می‌شود . همچنین دلیلیست برای فشار داخلی مادهٔ تبهگن که تا حد زیادی حالت تعادل [[کوتوله‌های سفید]] و [[ستاره‌های نوترونی]] را برقرار می‌کند .

در سیستم‌های بزرگ، تفاوت بین آمار بوزونی و فرمیونی تنها در چگالی‌های بالا وقتی در تابع‌های موج، همپوشانی وجود داشته باشد، ظاهر می‌شود . در چگالی‌های پایین، هر دو آمار با تقریب خوبی توسط [[قاعدهٔ آماری ماکسول – بولتزمن]] جواب می‌دهند که توسط [[مکانیک کلاسیک]] بیان می‌شود .

یک ذره بنیادی و جزء اساسی تشکیل دهنده ماده می‌باشد. [[کوارک|کوارک‌ها]] با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام [[هادرون]] (hadron) را به وجود آورند، [[پروتون]] و [[نوترون]] یکی از معروف‌ترین آن‌ها هستند. آن‌ها تنها ذرات بنیادی برای آزمایش همه چهار برهم کنش اساسی یا نیروهای اساسی در [[مدل استاندارد (ذرات بنیادی)|مدل استاندارد]] می‌باشند. به خاطر پدیده‌ای که به تحدید رنگ معروف است، کوارک‌ها هیچ گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند؛ آن‌ها را فقط می‌توان درون هاردون‌ها پیدا کرد. به همین دلیل بیشتر آنچه که ما درباره کوارک‌ها می‌دانیم از مشاهده خود هاردون‌ها به دست آمده‌است. <br />{{سخ}}

شش نوع مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به طعم (flavor) شهرت دارند:

* [[کوارک سر|سر]] (top)

بالا و پایین دارای کمترین وزن در بین کوارک‌ها می‌باشند. کوارک‌های سنگین تر در طول یک فرآیند واپاشی به سرعت به کوارک‌های بالا (up) و پایین (down) تبدیل می‌شوند: تبدیل شدن از حالت وزن بیشتر به حالت وزن کمتر. به همین علت کوارک‌های بالا و پایین عموماً پایدار می‌باشند و رایج‌ترین کوارک‌ها در عالم می‌باشند. <br />{{سخ}}

در حالی که کوارک‌های strange، charm، top، bottom فقط در تصادم‌های با انرژی زیاد تولید می‌شوند (مثل تابش‌های کیهانی و شتاب دهنده‌های ذرات). کوارک‌ها خواص ذاتی گوناگونی دارند که شامل بار الکتریکی، شارژ رنگ، اسپین و جرم می‌باشد. برای هر یک از طعم‌های کوارک یک [[پادذره]] متناظر وجود دارد که به پادکوارک نیز شناخته می‌شوند و فقط در برخی خصوصیات دارای علامت مخالف می‌باشد. کوارک‌ها تنها ذرات شناخته شده می‌باشند که بار الکتریکی آنها کسری از بار پایه می‌باشد.

'''لپتون:'''

ذره‌ایست با اسپین ‎۱۱/۲ (فرمیون) که نیروی هسته‌ای قوی روی آن تأثیر ندارد. بطور کلی شش [[لپتون]] وجود دارد. سه تا از آن‌ها دارای بار الکتریکی بوده و سه تای دیگر هم فاقد بار الکتریکی هستند. لپتون‌ها جز ذرات بنیادین شناخته شده‌اند، یعنی ذراتی که از ذرات کوچک‌تر تشکیل نشده‌اند. معروفترین لپتون [[الکترون]] (ē) است با یک بار منفی. دو لپتون باردار دیگر [[میون]] (muon (μ و تاو (τ) هستند، که از نظر بار الکتریکی مثل [[الکترون]] بوده ولی دارای جرم خیلی بیشتر نسبت به آن هستند. لپتون‌های بدون بار سه نوع [[نوترینو]] (neutrinos (υ هستند که عبارت‌اند از: نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نوترینوی تاو. نوترینوها فاقد [[بار الکتریکی]] بوده ولی دارای [[جرم]] بسیار ناچیزی هستند و یافتن آن‌ها هم بسیار مشکل است.

لپتون‌ها شامل این ذرات هستند:

تمام ذرات بنیادی مشاهده شده یا فرمیون هستند یا [[بوزون]] . فرمیون‌های بنیادی شناخته شده به دو گروه تقسیم می‌شوند : [[کوارک|کوارک‌ها]] و [[لپتون|لپتون‌ها]]

** [[کوارک|کوارک‌ها]]، [[پروتون|پروتون‌ها]] و [[نوترون|نوترون‌ها]] و سایر [[باریون|باریون‌ها]] را می‌سازند که فرمیون‌های مرکبند . همچنین [[مزون|مزون‌ها]] را شامل می‌شوند که بوزون‌های مرکبند .

** [[لپتون|لپتون‌ها]] [[الکترون|الکترون‌ها]] و ذرات سنگین (muon لپتون‌های ناپایدار و tauon لپتون‌ها با بار منفی ) را شامل می‌شوند .

ذرات مرکب ( مانند [[هادرون|هادرون‌ها]]، [[هسته|هسته‌ها]] و اتم‌ها ) می‌توانند بسته به اجزای اصلیشان، فرمیون یا بوزون باشند . به طور دقیق تر، به دلیل وابستگی بین اسپین و آمار، اگر ذره‌ای تعداد فردی فرمیون داشته باشد، خودش فرمیون است و اسپین نیمه صحیح خواهد داشت .

برای مثال :

* یک [[باریون]] مانند [[پروتون]] و [[نوترون]]، شامل سه [[کوارک]] فرمیونیست . بنابراین یک فرمیون است .

* هستهٔ اتم کربن-۱۳، شامل ۶ پروتون و ۷ نوترون است . بنابراین یک فرمیون است .

* اتم هلیوم-۳ (۳He)، از دو پروتون، یک نوترون و ۲ الکترون تشکیل شده و بنابراین یک فرمیون است .

رفتار فرمیونی یا بوزونی یک ذره ( یا سیستم ) مرکب، تنها در فواصل طولانی ( در مقایسه با اندازهٔ سیستم ) دیده می‌شود . هنگامی ساختار سه بعدی اهمیت می‌یابد که ذره ( یا سیستم ) مرکب، طبق ساختار تشکیل دهنده اش رفتار کند .

وقتی که فرمیون‌ها در مجاورت با جفتشان مرز ضعیفی داشته باشد، می توانندمی‌توانند از خود رفتار بوزونی نشان دهند. این، اساس [[ابر رسانایی]] و [[ابر شارگی]] هلیوم-۳ است .

طی مدت زمان طولانی ماده را به سه حالت می‌شناختند که عبارت بودند از :جامد، مایع و گاز .

اما امروزه می‌دانیم که حداقل شش حالت برای ماده وجود دارد . این شش حالت عبارتند از :

برای مقابله با خواص ادغام ناپذیری فرمیون می‌توان از تأثیر میدان مغناطیسی بر آن استفاده کرد. میدان مغناطیسی سبب می‌شود فرمیون‌های تنها جفت شوند قدرت این پیوند را میدان مغناطیسی تعیین می‌کند. جفت اتم‌های پتاسیم برخی خواص فرمیون را حفظ می‌کنند ولی شبیه [[بوزونها]] عمل می‌کنند.

یک جفت الکترون می‌تواند در جفت دیگری ادغام شود و جفت تازه در جفتی دیگر ادغام شود و این کار ادامه یابد تا سر انجام ماده چگال فرمیونی شکل گیرد.

از جمله خصوصیات منحصر به فرد چگال فرمیونی می‌توان به گران روی (غلظت) بسیار زیاد آن اشاره کرد که مشابه این پدیده را در [[ابر رسانا|ابر رساناها]] می‌بینیم. در یک [[ابر رسانا]] جفت الکترون‌ها می‌توانند بدون هیچ مقاومتی جریان یابند. این ویژگی دانشمندان را امیدوار به ساختن ابر رساناهایی کرده که در دمای اتاق قابل استفاده باشند.

الکترون‌ها به دلیل این که خاصیت چسبندگی میان آن نیست و به راحتی می‌توانند جریان یابند و مانند یک ابر رسانای بسیار مدرن عمل کنند، می‌توانند بدون آن که با [[مقاومت الکتریکی]] مواجه شوند به راحتی جریان یابند.

* En.wikipedia.com