اتم‌ها در مولکولها توسط پیوندهای کووالانسی کنار هم نگه داشته شده‌اند. اما پرسش این است که مولکولها در حال مایع و جامد توسط چه نیرویی به سوی یکدیگر جذب می‌شوند، نیروهایی که مولکولهای یک ماده را در حالت مایع یا جامد به همدیگر ارتباط می‌دهد به نیروهای بین مولکولی معروف است.

نیروهای بین مولکولی بین مولکولهای قطبی با نیروهای بین مولکولی بین مولکولهای غیرقطبی باهم تفاوت دارند. معمولاً نیروهای بین مولکولی به نام نیروهای واندروالسی معروفند. وجود این نیروها در بین مولکولها باعث می‌شود که یک ترکیب جامد مولکولی شکل معینی داشته باشد و با غلبه بر این نیروها بتوان آن را به حالت مایع درآورد.

تاریخچه[ویرایش]

اولین بار یوهانس واندروالس در سال ۱۸۷۳ وجود نیروهای کشش بین مولکولی در میان مولکولهای گاز را مطرح کرد، به نظر واندروالس مجموع این نیروها هستند که مقدار انحراف یک گاز حقیقی از گاز ایده آل را معین می‌کنند توضیح خاستگاه این نیروهای بین مولکولی توسط فرتینر لاندن در ۱۹۳۰ پیشنهاد شد. امروزه نیروهای بین مولکولی را به صورت عام نیروهای واندروالس و نیروهای پراکندگی بین مولکولهای غیرقطبی را نیروهای لاندن می‌نامند. ایا شما نیرو های لاندن را می شناسید؟

انواع نیروهای واندروالسی[ویرایش]

نیروهای دوقطبی - دوقطبی این نیروها بین مولکولهای قطبی دیده می‌شوند. این مولکولها دارای دوقطبیهای دائمی هستند و تمایل به قرار گرفتن در راستای میدان الکتریکی دارند. پایدارترین حالت زمانی است که قطب مثبت یک مولکول تا حد امکان به قطب منفی مولکول مجاور نزدیک باشد. در این شرایط بین مولکولهای مجاور یک نیروی جاذبه الکتروستاتیکی به نام نیروی دوقطبی بوجود می‌آید.

با توجه به مقادیر الکترونگاتیوی اتم‌ها در یک مولکول دو اتمی می‌توان میزان قطبیت مولکول و جهت‌گیری قطبهای مثبت و منفی را پیش بینی کرد اما پیش بینی قطبیت مولکولهای چند اتمی باید مبتنی بر شناخت شکل هندسی مولکول و آرایش جفت الکترونهای غیر مشترک باشد.

پیوند هیدروژنی[ویرایش]

پیوند هیدروژنی نوعی نیروی بین مولکولی است که در آن بین اتم هیدروژن از یک مولکول با اتمهای الکترومگناتیو F و O و N از مولکول دیگر جاذبه‌ای بوجود می‌آید که به پیوند هیدروژنی معروف است. پیوند هیدروژنی فقط بین ترکیبات دارای H و O و N و F وجود دارد یعنی در این ترکیبات هیدروژن به عنوان پلی بین دو اتم الکترونگاتیو عمل می‌کند. انرژی لازم برای شکستن یک مول پیوند هیدروژنی از حدود ۱ تا ۱۰ کیلوکالری متغیر است.

اگرچه پیوندهای هیدروژنی ضعیفتر از پیوندهای کووالانسی است اما در میان نیروهای بین مولکولی قویترین آنها به شمار می‌رود. پیوندهای هیدروژنی نقش موثری در ساختار مواد مهم بیولوژیکی شامل پیوندهای N -H و O-H و تعیین خواص آنها دارد. شکل هندسی پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک که مولکولهای آلی دارای زنجیر بلند هستند با پیوند هیدروژنی میان گروههای N - H یک زنجیر و گروه C = O زنجیر مجاور تثبیت می‌شود.

که در ربایش فضای بین ملکولی اتم‌های هیدروژن پیوند واندر والسی به طور چشم گیری افزابش میابد

نیروهای لاندن (پراکندگی)[ویرایش]

مولکولهای غیرقطبی، دوقطبی دائمی ندارند ولی با وجود این تمام مواد غیرقطبی را می‌توان مایع کرد. از اینرو علاوه بر نیروی دوقطبی - دوقطبی باید نوع دیگری از نیروی بین مولکولی وجود داشته باشد. وجود نیروهای پراکندگی در مولکولها به عنوان یک اصل پذیرفته شده‌اند. تصور می‌شود این نیروها ناشی از حرکت الکترونها باشد. در یک لحظه از زمان ابر الکترونی یک مولکول به نحوی تغییر شکل می‌دهد که یک دوقطبی لحظه‌ای بوجود می‌آید که در آن قسمتی از مولکول به مقدار بسیار کم منفی تر از قسمت‌های دیگر است و در لحظه بعد به علت حرکت الکترونها جهت دوقطبی لحظه‌ای تغییر می‌کند.

اثر این دوقطبیهای لحظه‌ای در طول زمان بسیار کوتاه یکدیگر را حذف می‌کنند به صورتی که مولکول غیر قطبی فاقد دوقطبی دائمی می‌شود. ولی دوقطبیهای مواج لحظه‌ای یک مولکول، دوقطبیهای نظیر خود را در مولکولهای مجاور القا می‌کنند و حرکت هم‌زمان الکترونهای مولکولهای مجاور باعث ایجاد نیروی جاذبه بین این دو قطبیهای لحظه‌ای، نیروی لاندن را تشکیل می‌دهند. نیروی لاندن بین مولکولهای قطبی هم وجود دارد، اما تنها نیروی بین مولکولی موجود در مولکولهای غیرقطبی است.

کوارک Quark
ساختار کوارکی پروتون
ترکیب:	ذره بنیادی
خانواده:	فرمیون
گروه:	کوارک
رده:	۱٬۲٬۳
برهم‌کنش:	نیروی ضعیف٬نیروی قوی٬نیروی جاذبه٬نیروی الکترومغناطیس
ذره بنیادی:	آنتی‌کوارک (q)
پاد ذره بنیادی:	پاد پروتون
استدلال:	ماری گلمان (1964) جورج زویگ (1964)
کشف شده:	آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلاک (~1968)
نماد:	q
تعداد انواع:	(u, d, c, s, t، و b)
بار الکتریکی:	+2⁄3 e, −1⁄3 e
بار رنگ:	بله
اسپین:	1⁄2

کوارک (به انگلیسی: Quark) یک ذره بنیادی و بخش اساسی سازنده‌ی ماده است. کوارک‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام هادرون را به‌وجود آورند، پروتون و نوترون از معروف‌‌ترین آن‌ها هستند. مثلاً پروتون از دو کوارک بالا (Up quark) و یک کوارک پایین (Down quark) تشکیل شده است، در حالی که دو کوارک پایین و یک کوارک بالا، نوترون را می‌سازند. آن‌ها تنها ذرات بنیادی برای آزمایش همه چهار برهم کنش اساسی یا نیروهای اساسی در مدل استاندارد می‌باشند. به خاطر پدیده‌ای که به تحدید رنگ معروف است، کوارک‌ها هیچ‌گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند؛ آن‌ها را فقط می‌توان درون هادرون‌ها پیدا کرد. به همین دلیل بیش‌تر آنچه که ما درباره کوارک‌ها می‌دانیم از مشاهده خود هاردون‌ها به دست آمده‌است. شش نوع مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به طعم شهرت دارند : بالا up، پایین down، افسون charm، شگفت strange، سر top یا حقیقت truth و ته bottom یا زیبایی beauty . بالا و پایین دارای کم‌ترین وزن در بین کوارک‌ها می‌باشند. کوارک‌های سنگین‌تر در طول یک فرایند واپاشی به سرعت به کوارک‌های بالا و پایین تبدیل می‌شوند: تبدیل شدن از حالت جرم بیش‌تر به حالت جرم کم‌تر. به همین علت کوارک‌های بالا و پایین عموما پایدار می‌باشند و رایج‌ترین کوارک‌ها در عالم می‌باشند، در حالی که کوارک‌های دیگر فقط در تصادم‌های با انرژی زیاد تولید می‌شوند (مثل تابشهای کیهانی و شتاب‌دهنده‌های ذرات). کوارک‌ها خواص ذاتی گوناگونی دارند که شامل بار الکتریکی، بار رنگ، اسپین و جرم می‌باشد. برای هر یک از طعم‌های کوارک یک پادماده 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.

یک تفاوت بنیادی بین لپتون‌ها و کوارک‌ها این است که برخلاف لپتون‌ها، هیچ‌وقت در تجربیات آزمایشگاهی کوارک‌ها به‌صورت ذرات آزاد مشاهده نشده‌اند. این واقعیت که کوارک‌ها داخل پروتون وجود دارند، فقط بر اساس ایجاد برخورد میان پروتون و سایر ذرات پر انرژی که بتوانند به داخل آن نفوذ کنند، قابل بررسی است. در چنین آزمایش‌هایی که اعماق پروتون را می‌کاوند، می‌توان دید که کوارک‌ها به‌عنوان زیرساختار پروتون وجود دارند.

علت اینکه کوارک‌ها به صورت آزاد مشاهده نشده‌اند اینست که هنگامی که کوارک‌ها نزدیک یکدیگر باشند همانند ذرات آزاد عمل می‌کنند، اما با افزایش فاصله بین آنها نیروی بین آنها نیز افزایش می‌یابد. این نیروی افزایش‌یابنده رنگ نام دارد. نیروی الکترواستاتیک با ازدیاد فاصله بارها کاهش می‌یابد، اما نیروی رنگ افزایش می‌یابد.

لپتون
لپتون‌ها در فرآیندهای زیادی شرکت دارند مانند واپاشی بتا
ترکیب:	ذره بنیادی
خانواده:	فرمیون
رده:	۱٬۲٬۳
برهم‌کنش:	نیروی ضعیف، نیروی جاذبه، نیروی الکترومغناطیس
پاد ذره بنیادی:	پادلپتون
نماد:	l
تعداد انواع:	۶ (الکترون, الکترون, میون, میون, لپتون تاو, تاو نوترینو)
بار الکتریکی:	+۱ e, ۰ e, −۱ e
اسپین:	۱⁄۲

لپتون(به انگلیسی: Lepton) خانواده‌ای از ذرات بنیادی با اسپین ‎۱/۲ (فرمیون) هستند.^[۱] ریشه نام این لپتون از کلمه یونانی «λεπτόν» به معنی «ریز، سبک» است.

بطور کلی شش لپتون وجود دارد سه تا ازآنها دارای بارالکتریکی بوده و سه تای دیگر هم فاقد بارالکتریکی هستند. لپتون‌ها جز ذرات بنیادین شناخته شده‌اند یعنی ذراتی که از ذرات کوچک‌تر تشکیل نشده‌اند. معروفترین لپتون الکترون (e) است لپتون‌های باردار دیگر میون (μ) و تاو (τ) هستند، که از نظر بار مثل الکترون ولی دارای جرم خیلی بیشتر نسبت به آن هستند. میون و تاو به ترتیب ۲۰۰ و ۳۰۰۰ برابر سنگین تر از الکترون هستند. به هر یک از این سه لپتون یعنی الکترون، میون و تاو می‌توان ذره‌ای به نام نوترینو نسبت داد که با نام‌های الکترون نوترینو، میون نوترینو و تاو نوترینو مشهورند. این ذرات با نیروهای بنیادی نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیس برهمکنش می‌کند.

همه این ۶ ذره در طبیعت وجود دارند و در شتاب دهنده‌های انرژی بالا تولید شده‌اند. البته در شرایط عادی فقط الکترون در اتم حضور دارد. که به آن معنا نیست که سایر ذرات غیر واقعی اند. همه آنها در فیزیک ذرات جایگاهی یکسان دارند.

لپتون‌ها نیز دارای پاد ذره می‌باشند پس برای هر لپتون یک ضد ماده متناظر با آن وجود دارد. دربین لپتونها پادذره الکترون نامی ویژه دارد و آن پوزیترون است.

جرم نوترینوها صفر نیست اما هنوز دقیقا مشخص نشده‌است و نظر بر این است که جرم الکترون نوترینو ضربدر سرعت نور به توان دو (۹‎×۱۰^۱۶ m^۲/s^۲) در حدود ‎۱۰^-۹ مگاالکترون ولت و این مقدار برای میون نوترینو و تاو نوترینو به ترتیب در حدود ‎۱۰^-۸ و ‎۱۰^-۷ می‌باشد

خواص

اسپین و پاریته

لپتون‌ها دارای اسپین-^۱⁄_۲ بنابرین این ذرات فرمیون بوده و از اصل اصل طرد پائولی پیروی می‌کنند، دو لپتون نمی‌توانند دارای دقیقا خواص یکسان در یک زمان باشد. به عبارت دیگر این ذرات فقط دو حالت اسپینی دارند بالا یا پایین.

در بسیاری از نظریه‌های میدان‌های کوانتومی—مانند الکترودینامیک کوانتومی و کرومودینامیک کوانتومی—فرمیون‌ها راست-دست و فرمیون‌های چپ-دست یکسان در نظر گرفته می‌شود. اگرچه در مدل استاندارد فرمیون‌های راست-دست و چپ-دست نامتقارن در نظر گرفته می‌شوند. فقط فرمیون‌های چپ-دست می‌توانند با نیروی هسته‌ای ضعیف برهمکنش کنند در حالی که نوترینوی راست-دست وجود ندارد. که این مثالی از نقض پاریته‌است. در متون علمی فرمیون چپ‌دست را با یک L در پایین مشخص می‌کنند (مثلا e−
_L) و راست نیز با R و به همان شکل.

برهمکنش الکترومغناطیسی

 

برهمکنش لپتون-فوتون

یکی از خواص بسیار مهم لپتون‌ها بار الکتریکی، Q است. بار الکتریکی میزان قدرت آنها در برهمکنش الکترومغناطیسی یا عبارت دیگر میزان قدرت میدان الکتریکی تولید شده توسط ذرات را نشان می‌دهد (ن. ک. قانون کولن) و با چه قدرتی ذره به تغییر در میدان مغناطیسی پاسخ می‌دهد (ن. ک. نیروی لورنتس). هر نسل از لپتون‌ها یک لپتون با بار Q = −۱ (بار الکتریکی ذرات برحسب واحدی از بار الکترون نشان داده می‌شد) و یک لپتون با بار صفر دارد. به اولی لپتون باردار و به دومی نوترینو می‌گویند به طور مثال در نسل اول لپتون باردار الکترون e−
و نوترینو الکترون نوترینو ν
e است.

در زبان نظریه میدان کوانتم برهمکنش الکترومغناطیسی لپتون توسط این واقعیت بیان می‌شود که ذرات با کوانتای میدان الکترومغناطیسی یعنی فوتون برهمکنش می‌کنند. نمودار فاینمن برهمکنش الکترون فوتون در چپ نشان داده شداست.

از آنجا که لپتون یک حالت ذاتی در شکل اسپین‌شان دارند. لپتون‌های باردار میدان مغناطیسی تولید می‌کنند. گشتاور مغناطیسی μ تولید شده از فرمول زیر بدست می‌آید,

که m جرم لپتون و g فاکتور جی برای لپتون است. اولین مرتبه تقریب‌زنی در مکانیک کوانتم پیش‌بینی می‌کند که میزان فاکتور جی برای تمام لپتون‌ها برابر ۲ باشد. اگرچه تقریب‌های مرتبه بالاتر اثراتی پیش‌بینی می‌کنند که به تصحیح این عدد می‌انجامد این تصحیحات تکانه دوقطبی غیرعادی مغناطیسی (en:anomalous magnetic dipole moment)نامیده می‌شود..

برهمکنش ضعیف

برهمکنش ضعیف در نسل اول لپتون‌ها.

در مدل استاندارد لپتون باردار چپ دست و نوترینو راست-دست است و یک دوگان (ν
e_L, e−
_L) تشکیل می‌دهد و بیان اسپینوری در گروه واحد ویژهایزواسپین ضعیف تقارن پیمانه‌ای به (T = ^۱⁄_۲) تغییر می‌کنید. این بدین معنی است که این ذرات وضعیت ویژه از نتیجه ایزواسپین T_۳ با ویژه مقادیر ^۱⁄_۲ و −^۱⁄_۲ خواهند داشت. لپتون راست-دست باردار به یک اسکالر ضعیف ایزاسپینی (T = ۰) تبدیل می‌شود و در برهمکنش ضعیف شرکت نمی‌کند. نوترینوی راست-دست وجود ندارد.

بار الکتریکی Q می‌تواند از نمایش ایزواسپین T_۳ و ابربار ضعیف Y_Wاز طریق فرمول گل‌مان-نیشیجیما بدست آورد:

Q = T_۳ + Y_W/۲

جرم

در مدل استاندارد (ذرات بنیادی) لپتون‌ها دارای جرم در ابتدا نیستند اما لپتون‌های باردار (الکترون، میون و تاو) با برهمکنش با بوزون هیگز جرم بدست می‌آورند ولی نوترینوها بدون جرم باقی می‌مانند بی‌جرمی نوترینوها بدین معنی است که لپتون‌های باردار نمی‌توانند مانند کوارک گروه تشکیل دهند چیزی که با مشاهدات همخوانی دارد.^[

اگرچه به خاطر آزمایش‌هایی —مشهورترینش نوسان نوترینو نتیجه گرفته شده‌است که نوترینوها جرم بسیار کمی دارند، احتمالا کمتر از۲ eV/c².که در فیزیک پس از مدل استاندارد به آن پرداخته می‌شود. مکانیزم سیساو احتمال می‌رود بتواند توضیح دهد چرا نوترینوهای چپ-دست بسیار در مقایسه با لپتون باردار سبک هستند و چرا ما هنوز نوترینو راست-دست ندیده‌ایم

عدد لپتونی

به تمام ذراتی که لپتون هستند مقدار عدد لپتونی +۱ و به تمام پاد ذرات انها عدد لپتونی -۱ نسبت داده می‌شود. عدد لپتونی بقیه ذرات و پادذرات برابر صفر است. این عدد در واکنش‌ها پایسته می‌ماند.

همچنین عدد لپتونی جداگانه برای هر نسل تعریف شده‌است به طور مثال برای نسل اول داریم «عدد الکترونی» که برای الکترون و الکترون نوترینو برابر L_e = ۱ و عدد میونی برای میون و میون نوترینو L_μ = ۱ و عدد تائوی برای تاو و تاو نوترینو نیز L_τ = ۱ است. برای پادذرات همان مقدار ولی -۱ است. که این عدد در واپاشی‌ها و برهمکنش‌ها پایسته می‌مانند به طور مثال در واپاشی نوترون چون قبل از واپاشی عدد لپتونی برابر صفر است باید مجموع محصولات نیز برابر صفر باشد بنابرین یک نوترون به یکی از دو حالت زیر واپاشی می‌کند:

• پروتون+الکترون+ پاد الکترون نوترینو
• پرتون+پوزیترون+ الکترون نوترینو

و همچنین به خاطر پایستگی عدد لپتونی هر نسل این واکنش‌ها قابل انجامند:

e−
+ e+
→ γ + γ,

τ−
+ τ+
→ Z0
+ Z0
,

اما اینها ممنوعند:

γ → e−
+ μ+
,

W−
→ e−
+ ν
τ,

Z0
→ μ−
+ τ+
.

ولی در نوسان نوترینو مشاهده شده‌است که پایستگی عدد لپتونی مجزا (عدد لپتونی مختص هر نسل) نقض می‌شود این نقض به معنی وجود فیزیک پس از مدل استاندارد است. پایستگی قوی‌تر عدد لپتونی (L به معنی مجموع تمام لپتون‌ها در یک طرف) حتی در نوسان نوترینو نیز پایسته است اما به مقدار بسیار کم در آنومالی کایرال (chiral anomaly) نقض می‌شود.

فهرست ذرات

 

انریکو فرمی ۱۹۴۰-۱۹۵۰

 

تمبر یادبود انریکو فرمی، انتشار در سال ۲۰۰۰، رومانی

انریکو فرمی (به ایتالیایی: Enrico Fermi) (زاده ۲۹ سپتامبر ۱۹۰۱ در رم، ایتالیا؛ درگذشته ۲۸ نوامبر ۱۹۵۴ در شیکاگو، ایالات متحده)، فیزیکدان آمریکایی ایتالیایی الاصل است. او شهرتش را بیشتر مدیون زحمت‌هایش در موضوع واپاشی بتا، طراحی اولین رآکتور هسته‌ای و همچنین گسترش نظریه کوانتومی می‌باشد. فرمی سال ۱۹۳۸ موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شد که در رابطه با کارهایش در مورد رادیواکتیوی انجام داده بود. وی یکی از بزرگ‌ترین فیزیکدانان هسته‌ای قرن بیستم به شمار می‌رود.

او در هفده سالگی به تحصیل فیزیک در دانشگاه پیزا پرداخت، که آن را با مقطع دکترا در مورد پراکندگی اشعه ایکس سال ۱۹۲۲ به پایان رسانید.

بین سال‌های ۱۹۳۰-۱۹۴۰ همراه با برونو پونته‌کورو، در تحقیقات در مورد نوترینوها شرکت داشت.

فرمی تابستان ۱۹۴۴ به همراه خانواده‌اش به لاس آلاموس در نیومکزیکو رفت و به عنوان مشاور روبرت اوپنهایمر نقش به سزایی در ساخت و اختراع بمب اتمی داشت. وی تا روزهای آخر عمر خود در ایلینوی سکونت داشت و کرسی استادی دانشگاه شیکاگو را نیز بر عهده داشت.

بعد از دریافت جایزه نوبل سال ۱۹۳۸، او همچنین موفق به کسب مدال ماکس پلانک در سال ۱۹۵۴ شد.

به نام فرمی، گاز فرمی (گازهای الکترونی)، فرمیون‌ها (گروهی از ذرات بنیادی) و همچنین عنصر شیمیایی فرمیوم اسمگذاری شده است. کمیسیون انرژی اتمی آمریکا به یادبود این دانشمند بزرگ، جایزه انریکو فرمی را به ارزش ۳۷۵٬۰۰۰ دلار پایه‌گذاری کرده، که هر ساله اعطا می‌شود.

 

مدل استاندارد ذرات بنیادی، به همراه فرمیون‌ها در سه ستون اول جدول

فِرمیون (انگلیسی: Fermion)، نامیده شده به اسم فیزیکدان ایتالیایی انریکو فرمی، به ذرات بنیادی با اسپین نیمه گفته می‌شود. اصولاً همهٔ ذره‌های اساسی در مکانیک کوانتومی، یا از فرمیون‌ها یا از بوزون‌ها هستند. الکترون‌ها، لپتون‌ها، پروتون‌ها 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 ازآمار فرمی-دیراک، تبعیت می‌کنند که بر اساس نام انریکو فرمی نام گذاری شده‌است. در مقابل آنها، 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 پائولی 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 معمولاً مرتبط با ماده هستند، در صورتی که 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 قضیه اسپین - آمار، نشان داده می‌شود که یک تابع موج، با تعویض جای دو فرمیون همسان، منفی می‌شود. البته در سیستم‌های بوزونی، با جابه جایی دو بوزون، تابع موج هیچ تغییری نمی‌کند. در مدل استاندارد، دو گونه فرمیون بنیادی وجود دارد: کوارک‌ها و 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.

تعریف و ویژگی‌های اساسی

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.

تمام ذرات بنیادی دارای یک خصوصیت کوانتوم مکانیکی اند که می‌توان تقریباً آن را چرخش فرض کرد. فرمیون‌ها (الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها) دارای چرخش‌هایی هستند که مضارب نیمه صحیح اند؛ بدین معنا که اگر بخواهیم با استعاره صحبت کنیم باید بگوئیم که لازم است دو دور کامل بچرخند تا به وضعیت ابتدایی خویش بازگردند. بوزون‌ها (مثلاً فوتون‌ها) دارای چرخش‌هایی با مضرب صحیح (۰ ۱، ۲، و غیره) هستند.

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.

انواع فرمیون

فرمیون‌ها شامل دو بخش اصلی شناخته شده هستند:

کوارک:

یک ذره بنیادی و جزء اساسی تشکیل دهنده ماده می‌باشد. 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 می‌باشند. به خاطر پدیده‌ای که به تحدید رنگ معروف است، کوارک‌ها هیچ گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند؛ آن‌ها را فقط می‌توان درون هادرون‌ها پیدا کرد. به همین دلیل بیشتر آنچه که ما درباره کوارک‌ها می‌دانیم از مشاهده خود هاردون‌ها به دست آمده‌است.

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

• بالا (up)
• پایین (down)
• افسون (charm)
• شگفت (strange)
• سر (top)
• ته (bottom)

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.

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 ۱/۲ (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:

• نوترینو
• لپتون تاو
• میون
• پوزیترون
• الکترون

فرمیون‌های بنیادی

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

• • کوارک‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها و سایر باریون‌ها را می‌سازند که فرمیون‌های مرکبند. همچنین مزون‌ها را شامل می‌شوند که بوزون‌های مرکبند.
  • لپتون‌ها الکترون‌ها و ذرات سنگین (muon لپتون‌های ناپایدار و tauon لپتون‌ها با بار منفی) را شامل می‌شوند.

فرمیون‌های مرکب

ذرات مرکب (مانند هادرون‌ها، 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، می‌توانند از خود رفتار بوزونی نشان دهند. این، اساس ابر رسانایی و ابر شارگی هلیوم-۳ است.

حالت چگالیدهٔ فرمیونی

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:

• جامد، مایع، گاز، پلاسما، حالت چگالیده بوز-انیشتین و حالت چگالیده فرمیونی

"دبورا جین" (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز ۱۳۸۲، موفق به کشف حالت چگالیده فرمیونی شده‌است، می‌گوید: "وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو می‌شوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگیهایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم با جرم اتمی ۴۰ تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتمها در چنین دمایی بدون گرانروی جریان می‌یابند و این، نشانه ظهور ماده‌ای جدید بود. در دماهای پایین‌تر چه اتفاقی می‌افتد؟ هنوز نمی‌دانیم."

حالت چگالیده فرمیونی تا حدی شبیه چگالش بوز-اینشتین است. هر دو حالت از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که این اتم‌ها در دمای پایین به هم می‌پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می‌دهند. در چگالش بوز-اینشتین اتم‌ها از نوع بوزون هستند در حالی که در چگالش فرمیونی اتم‌ها، فرمیون هستند. این شکل از ماده چنان بدیع است که هنوز اغلب خواص آن ناشناخته‌است. اما آنچه که مسلم است اینست که این حالت در دمای بسیار پایین قابل دسترسی است.

اتمهای پتاسیم با عدد جرمی ۴۰، فرمیون هستند زیرا دارای ۱۹ الکترون، ۱۹ پروتون و ۲۱ نوترون هستند و حاصل جمع این سه عدد برابر ۵۹ می‌شود.

دستیابی به حالت ششم ماده

دکتر جین و همکارانش، برای دستیابی به حالت چگالیدهٔ فرمیونی، تعداد ۵۰۰ هزار اتم پتاسیم با عدد جرمی ۴۰ را تا دمایی کمتر از یک میلیونیوم کلوین سرد کردند. این دما بسیار نزدیک به صفر مطلق است. در این حالت اتمهای پتاسیم بدون آنکه چسبندگی میان آنها وجود داشته باشد، به صورت مایع جریان یافتند. 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.

حالت‌های پنجم و ششم ماده تنها موادی هستند که حرکت مولکول‌های آنها بسیار آهسته‌است و در شرایط خاص آزمایشگاهی تهیه می‌شوند. این مواد، کاربرد فراوانی در علم و صنعت و مخصوصاً فناوری فضایی دارند. دانشمندان، خواص این مواد را قبل از کشف، پیش بینی کرده بودند ولی روش تهیه آنها برای دانشمندان مجهول بود اما با بررسی خواصشان مشخص شد که برای تهیه این مواد به یخچال‌های پیشرفته نیاز است که امکان ساخت آن تنها در دهه اخیر مهیا شده‌است. این یخچالها می‌توانند دما را تا حد زیادی به صفر مطلق نزدیک کنند.

ویژگی‌های حالت چگالیدهٔ فرمیونی

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 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.