تويت
جسيمات اوليه (خصايص وتصنيف)
Elementary particles - Particules élémentaires
الجسيمات الأولية (خصائص وتصنيف ـ)
خصائص الجسيمات الأولية properties of elementary particles
1 ـ تكون جسيمات نوعٍ جسيمي واحد متطابقة تماماً، بمعنى أنه يستحيل التمييز بين جسيم وآخر من نوعه. فلا سبيل إلى التمييز بين إلكترون وآخر أو بين بروتون وآخر، وهكذا.
2 ـ الكتلة: لكل نوع جسيمي كتلة سكونية محددة وهي المقصودة بكلمة كتلة. أما كتلة الجسيم في أثناء الحركة فتتوقف على سرعته
حيث c سرعة الضوء في الخلاء. وليس بين كتل الجسيمات الأولية المختلفة أي علاقة بسيطة. وتقدر هذه الكتل عادة بإحدى وحدتين:
أ) الكتلة الإلكترونية me، فيقال عندئذ إن كتلة البروتون مثلاً تساوي f1836 me.
ب) الإلكترون فلط eV ومضاعفاته: الميغا (مليون) MeV، والجيغا (مليار) GeV. والمعروف أن: (جول)
.
ويمكن إيجاد الصلة بين هاتين الوحدتين من علاقة أينشتاين في التكافؤ بين الكتلة والطاقة E=mc2 حيث c سرعة الضوء في الخلاء فيكون:
وعلى هذا تكون كتلة البروتون مساوية k938.3 MeVأي قريبة من l1 GeV.
وتقع كتل الجسيمات الأولية المعروفة الآن بين الصفر (الفوتون وربما النترينو) وk70 GeV.
3 ـ الشحنة الكهربائية: يحمل بعض الأنواع الجسيمية شحنة كهربائية موجبة أو سالبة. ومنها ما يكون عديم الشحنة (أي متعادل الشحنات). ولسبب عميق ما يزال مجهولاً تأتي الشحنة الكهربائية للجسيمات المعروفة كلها، بقطع النظر عن إشارتها، أضعافاً بسيطة من شحنة البروتون التي اتُخذت وحدة أساسية لقياس الشحنات ويرمز إليها بـ e. وعلى هذا تكون شحنة البروتون +1، والإلكترون -1 والنترون 0. (يُغفل الرمزe اختصاراً). والشحنة الكهربائية لأي جسيم معروف تساوي +2 أو +1 أو -1 أو الصفر. أما قيمة e مقدرة بالوحدة المألوفة لقياس الشحنة الكهربائية (الكولون) فهي:
4 ـ الاستقرار والعمر المتوسط: يُميَّز بين الجسيمات المستقرة واللامستقرة (القلقة). فالأولى غير قادرة على التفكك مهما كان نمط التفاعل المدروس. تلك هي حالة الإلكترون والبروتون والفوتون. أما غالبية الجسيمات فهي على العكس عرضة للتفكك إلى جسيمين آخرين أو أكثر، ويمكن تسميتها «شبه مستقرة» metastable. وكلما كان التفاعل أشد كان العمر المتوسط τ للجسيم أقصر. [العمر المتوسط هو الزمن الذي بانقضائه ينقص عدد الجسيمات e = 2.718 مرة (العدد النيبري). ويستعمل أحياناً العمر النصفي (أو عمر النصف أو الدور) T وهو المدة التي يتفكك بانقضائها نصف عدد الجسيمات. والعلاقة بين هذين المقدارين هي: T= τ ln2 أو τ =1.44T]. ويقع العمر المتوسـط بين k10-23Sو k10-21Sوبين k10-20S وk10-15 S في حالة التفاعلات الكهرمغنطيسـية، وبين k10-10S وk10-6S في حالة التفاعلات الضعيفة. ويتأثر العمر المتوسط ببعض الظروف: «طاقة التفكك» مثلاً. ففي حالة التفكك بيتا للنترون تساوي طاقة التفكك k0.78 MeV فقط وهي صغيرة جداً، وهذا ما يفسر القيمة الكبيرة لدور تفكك النترون إلى بروتون وإلكترون ونترينو مضاد) الذي يساوي 10.4 دقيقة. والنترون هو أطول الجسيمات شبه المستقرة عمراً.
إن إمكانات رصد الجسيمات القصيرة العمر جداً مرتبطة بالتصحيح النسبوي الذي يطبَّق عليها لقرب سرعاتها v من سرعة الضوء c. فهي تقطع خلال «حياتها» مسافة متوسطة تساوي t.
أي تساوي بالمتر: 
. فإذا كان 
فإن هذه المسافة تساوي نحو k10-15m (أي فرمي واحداً وهذا مَقَاس النكلون) في حالة التفاعلات الشديدة. ولكنها من مرتبة الأنغستروم (k10-10m) في حالة التفاعلات الكهرمغنطيسية، ويمكن أن تقاس بالأمتار في حالة التفاعلات الضعيفة.
ثمة نتيجة أخرى لقصر بعض الأعمار المتوسطة هي عدم الدقة في تحديد الطاقة، ومن ثَم تحديد كتلة الجسيم المدروس. وفي الواقع تسمح علاقة هايزنبرغ في الارتياب، بالقول إن طاقة الجسيم E (كتلته m) ترتبط بزمن قياسها Δt (أو بعمر الجسيم τ) بالعلاقة: ΔΕ.t ≈ ħ، (من الواضح أن Δt << t) حيث ħ هي ثابتة بلانك المقسومة على 2π أي تساوي: ħ = 6.6 ´ 10-22 MeV وعلى هذا فإن جسيماً غير مستقر بالنسبة إلى التفاعل الشديد (جسيم «تجاوبي» مثلاً) يمكن أن يُبدي «عرضاً» يبلغ عدة عشرات الــ MeV. (انظر الجدول 2).
5 ـ السبين spin: لكل نوع من الجسيمات الأولية خاصية ميكانيكية كمومية تسمى السبين. وللسبين طبيعة العزم الزاوي، ويقاس من ثَم بالوحدة ħ ويعبّر عنه بالعدد الكمومي السبيني s (الذي هو عدد صحيح أو صفر، أو نصف عدد فردي). فيكون السبين مساوياً sħ (وغالباً ما يغفل ذكر الوحدة ħ). فيقال عن الإلكترون الذي سبينه
إن سبينه 
. وفي حالة الجسيم Ω- يكون 
وللفوتون s =1. وبعض الجسيمات عديمُ السبين كالميزونَيْن π وK. ويختلف سلوك الجسيمات بحسب سبينها. وتسمى الجسيمات التي سبينها نصف عدد فردي 
فرميونات fermions (لأنها تخضع لإحصاء فرمي ـ ديراك) وهي تخضع لمبدأ باولي (الاستبعاد) الذي ينص على استحالة أن يحتل فرميونان حالة كمومية واحدة. في حين تسمى الجسيمات التي سبينها يساوي الصفر أو عدداً صحيحاً (0، 1، 2، …) بوزونات bosons (لأنها تخضع لإحصاء بوزه ـ أينشتاين) وهي لا تخضع لمبدأ باولي.
6 ـ السبين النظيري: إن متجهة السبين النظيري isospin
هي مميِّزٌ كمومي شكلي أُدخل في الأصل لوصف تطابق الخواص النووية للبروتون والنترون. ولها قيمة واحدة 
لكل من هذين النكلونين. وتتعين المتجهة في فضاء نظيري شكلي (أو مساعد). وتصف مركبتها IZ حالة الجسيم من حيث الشحنة الكهربائية. فالمركبة 
تميز البروتون. ويتميز النترون بـ 
يشير اختلاف المركبات إلى اختـلاف الشحنة الكهربائية). ويحسب عدد المركبــات مــن i2I +1، ففي حالة كلٍ من البروتون والنترون يكون: 
.
وقد عمم مفهوم السبين النظيري على النوى. فالنواتان
(الهليوم ذو العدد الكتلي 3 والعدد الذري 2) و
تكونان ثنائية doublet ولهما سبين نظيري يساوي وعدد مركبات 
. وتختلفان في الشحنة الكهربائية. وتكون النواتان 
ثنائية أخرى، ولهما سبين نظيري يساوي وهما مختلفان أيضاً في الشحنة الكهربائية. أما النوى 
فتكون ثلاثية triplet إذ لها سبين نظيري يساوي الواحد 
وتختلف فيما بينها بالشحنة الكهربائية أيضاً.
وإضافة إلى الثنائيات النووية والثلاثيات والتعدديات multiplets المختلفة فيما بينها بالشحنة الكهربائية، ثمة أحاديات نووية singlet كنواة الدوتيريوم
ونواة الهليوم 
(ليس لها مثيلات إيزوبارية). والسبين النظيري لهاتين النواتين معدوم.
وتنسحب فكرة السبين النظيري على الجسيمات الأولية فتساعد على تجميعها في مجموعات لها مميزات كمومية متطابقة، وتختلف فيما بينها بالسبين النظيري فقط، أي تختلف فيما بينها بالشحنة الكهربائية. فالبروتون والنترون يكوّنان ثنائية سبينها النظيري. وتكوّن الميزونات π -, π0, π+ ، ثلاثية سبينها النظيري 1. أما الهيبرونان Λ0 و- Ω اللذان لا مثيل لكل منهما في الخصائص النووية، فيكوّن كل منهما أحادية I = 0 عديمة السبين النظيري. في حين تكوّن جسيمات «التجاوب» Δ رباعية سبينها النظيري 
.
7 ـ النِّديِّة (أو المماثلة) parity: تميز الندية تناظرَ الجسيم بالنسبة إلى انعكاس محاور الإحداثيات الثلاثة في الفضاء. أي التعويض عن بـ z, y, x z, -y, -x- (وهذا يكافئ الانعكاس في المرآة المستوية أي انعكاس محور واحد فقط). ويُشار إليها بـ + أو - إذا تحوّل التابع (الدالة) الموجي ψ إلى ψ+ أو ψ- بتأثير «مؤثر الندية» ذي القيمتين الخاصتين: +1 الموافقة للندية الزوجية، أو −1 المقابلة للندية الفردية. فإذا كان s هو سبين الجسيم فإنه يشار إليها رمزياً بـ s p حيث P هي الإشارة + أو -.
يقال عن البوزونات العديمة السبين وذات الندية الموجبة إنها بوزونات سُلَّميّة (عددية) +o. أما تلك ذات الندية الفردية فهي بوزونات سلمية كاذبة كالميزونين π و
.
تسمى البوزونات ذات السبين 1 بوزونات متجهة. وهي تمثل بمتجهات محورية (كاذبة) إذا كانت نديتها زوجية، وبمتجهات قطبية (حقيقية) إذا كانت فردية الندية كالميزون p: -1 والفوتون -1 وتمثّل البوزونات ذات السبين 2 بتنسورات.
أما في حالة الفرميونات فيفترض أن للبروتون والنترون والباريون Λ نديات زوجية
وتكون ندية الفرميون معاكسة لندية الفرميون المضاد له. ففي حالة البروتون المضاد هي 
. وبالمقابل فإن ندية البوزون والبوزون المضاد هي واحدة: فالميزونان 
كلاهما k0-.
تصنيف الجسيمات الأولية Classification of Elementary Particles
تصنف الجسيمات دون الذرية في صنفين:
1 ـ الأول هو صنف اللبْتونات leptons (أي الخفيفات). وأَشْيَعُها الإلكترون e. ومنها الميون muon (ورمزه μ) والتاوون tauon (أو اللبتون تاو τ). والميونات والتاوونات غير مستقرة (قلقة) وتتفكك بسرعة.
وفضلاً على هذه اللبتونات الثلاثة المشحونة بالكهرباء السالبة ثمة ثلاثة لبتونات عديمة الشحنة تحمل اسماً واحداً هو النترينو ورمزها ν. ويرتبط كل نترينو neutrino في سلوكه بواحد من اللبتونات المشحونة، ومنه يستمد اسمه. لذلك هناك نترينو الإلكترون (أو النترينو الإلكتروني νe) ونترينو الميون (أو النترينو الميوني νμ) ونترينو التاوون (أو نترينو التاو νt). وقد افترض فيما مضى أن كتلة νe السكونية معدومة، وهذا ما يسمح له بالتحرك بسرعة الضوء. إلا أنه لا توجد أسباب نظرية وجيهة لانعدام كتل النترينوهات، ويضطر الباحثون اليوم إلى وضع حدود عليا لقيمها.
وعلى هذا تصنف اللبتونات في ثلاث طوائف أو ثلاث ثنائيات كما في الجدول (3).
وهذه اللبتونات الستة كلها فرميونات (سبينها ). وهي لا تُسهم في التفاعلات النووية الشديدة وإنما في التفاعلات الضعيفة. [وهناك جسيمات أخرى تسهم في بعض التفاعلات الضعيفة، وقد تبين أنها بوزونات. والتفاعلات الضعيفة التي تستلزم تبادلاً في الشحنة الكهربائية ـ كتفكك النترون إلى بروتون وإلكترون ـ محكومة بالبوزون المتجه الوسيط المشحون + w أو - w. أما التفاعلات الضعيفة الأخرى التي لا تستوجب تبادلاً في الشحنة فوسيطها هو البوزون المتجه الوسيط المتعادل Z0، وقد اكتُشفت هذه البوزونات الثلاثة في CERN ـ المركز الأوربي للبحوث النووية ـ سنة 1983].
2 ـ الثاني هو صنف الهَدرونات hadrons (أي الثقيلات) وهي التي تتفاعل فيما بينها تفاعلاً شديداً. وأبرزها النكلونات nucleons (أي النوويات) وهي البروتونات والنترونات المكونة للنوى. وهناك عشرات الجسيمات الأخرى التي تنجم عن التفاعلات النووية. وتحمل الهدرونات الفرميونية اسماً عاماً هو الباريونات baryons (أي الثقيلات أيضاً)، وهي تضم النكلونات والهيبرونات hyperons (أي الثقيلات أيضاً). أما الهدرونات البوزونية فتسمى ميزونات mesons (أي المتوسطات) وأخفها الميزون ( العديم السبين). وتتفكك الهدرونات ـ باستثناء البروتون ـ إلى هدرونات أخف أو إلى لبتونات.
والمخطط 4 يلخص ما سبق.
قوانين الانحفاظ
يمكن الحصول على معلومات مهمة جداً عن العمليات التي تجري بمشاركة الجسيمات الأولية والنوى الذرية والذرات، من قوانين الانحفاظ.
1ـ قانون انحفاظ الطاقة
إن الطاقة الكلية لأي منظومة معزولة تبقى ثابتة مهما حدث فيها من تحولات. (نظرياً، هذا القانون هو نتيجة لتجانس الزمن: أي كل لحظات الزمن متكافئة. وبكلام آخر يعبِّر هذا القانون عن الصمود (اللاتَغَيُّر) invariance إزاء انسحاب الزمان).
2ـ قانون انحفاظ الاندفاع
إن اندفاع منظومة معزولة يبقى ثابتاً قدْراً واتجاهاً. (نظرياً، هذا القانون هو نتيجة لتجانس الفضاء؛ ويعبر عن الصمود إزاء انسحاب المكان).
3 ـ قانون انحفاظ عزم الاندفاع (العزم الزاوي)
إن قيمة سبين الجسيم (أي العزم الزاوي الخاص) لا تتوقف على حالة حركته (فهي صفة مميزة داخلية). أما قيمة العزم المداري للجسيم فتتعين من حالة حركته. وفي التفاعل النووي ينحفظ العزم الزاوي الكلي للجسيمات المتفاعلة وكذلك مرتسمه على اتجاهٍ منتخب (قدراً واتجاهاً). نظرياً، هذا القانون هو نتيجة لتماثل مناحي الفضاء أي تساوي اتجاهاته كافة، ويعبِّر عن الصمود إزاء الدوران.
4 ـ قانون انحفاظ الشحنة الكهربائية و«الشحنات» الأخرى
في التفاعلات النووية والكهرمغنطيسية لا يتغير المجموع الجبري للشحنات الكهربائية بعد حدوث التفاعل بل يبقى ثابتاً. فمثلاً:
مثال آخر:
وهذا المثال مهم بوجه خاص لأنه يسمح بفهم ضرورة وجود «شحنات» أخرى للجسيم تنطبق عليه أيضاً قوانين الانحفاظ. وبالفعل يمكن أن يتحقق انحفاظ الشحنة الكهربائية، لا في العملية
فقط، وإنما في العمليات:
ولكن لا يتحقق تجريبياً سوى العملية. وهذا يعني أنه فضلاً على قانون انحفاظ الشحنة الكهربائية هناك قواعد حظر، تسمح للفوتون بتكوين الزوج (e-، e+) وتمنعه من تكوين الأزواج الأخرى، أي ثمة قوانين أخرى لانحفاظ «شحنات» أخرى تملكها الجسيمات، بحيث يبقى مجموع هذه «الشحنات» ثابتاً في العملية النووية. وهذه الشحنات هي: الشحنة الباريونية B، الشحنة اللبتونية الإلكترونية le، الشحنة اللبتونية الميونية lμ، والغرابة S. ويبين الجدول (1) قيم هذه «الشحنات» لمختلف الجسيمات الأولية.
فالإلكترون والبوزترون متعاكسان لا في الشحنة الكهربائية فقط، وإنما في الشحنة اللبتونية أيضاً: 
. أما الشحنتان الباريونية واللبتونية الميونية فمعدومتان عند هذين الجسيمين:
(لا ينظر في الشحنة الرابعة ـ الغرابة ـ في حالة الإلكترونات).
وعلى هذا، في حالة الزوج إلكترون بوزترون تكون الشحنات الثلاث (الكهربائية الكلية والباريونية واللبتونية) معدومة، كما هو الحال لدى الفوتون. لذا فإن نشوء الزوج المذكور من الفوتون لا يتعارض مع أي من قوانين انحفاظ الشحنات. أما بقية العمليات المذكورة فإن كلاً منها يتعارض مع قانون (أو أكثر) من قوانين الانحفاظ. فمثلاً:
مثال آخر:
ويستوقف النظر هنا أن تفاعل جسيمين عاديين (غير غريبين) يؤدي إلى نشوء جسيمين متعاكسي الغرابة!.
مثال ثالث:
ويلاحظ أن «التجاوب» Δ لا يشاهد إلا في نواتج التفكك.
5 ـ قانون انحفاظ الندية
في التفاعلات النووية والكهرمغنطيسية تبقى الندية منحفظة. أي يلاحظ تناظر العملية إزاء عملية الانعكاس في المرآة (أي التعويض عن x, y, z بـ -x, -y, -z). أما في التفاعلات الضعيفة فلاتنحفظ الندية ويختل التناظر المرآوي في هذه العمليات.
6 ـ قانون انحفاظ السبين النظيري
في التفاعلات النووية الشديدة بين النوى (والجسيمات الأولية) يبقى السبين النظيري محفوظاً: فلا يجري التفاعل:
مكي الحَسَنيّ
Elementary particles - Particules élémentaires
الجسيمات الأولية (خصائص وتصنيف ـ)
خصائص الجسيمات الأولية properties of elementary particles
1 ـ تكون جسيمات نوعٍ جسيمي واحد متطابقة تماماً، بمعنى أنه يستحيل التمييز بين جسيم وآخر من نوعه. فلا سبيل إلى التمييز بين إلكترون وآخر أو بين بروتون وآخر، وهكذا.
2 ـ الكتلة: لكل نوع جسيمي كتلة سكونية محددة وهي المقصودة بكلمة كتلة. أما كتلة الجسيم في أثناء الحركة فتتوقف على سرعته
حيث c سرعة الضوء في الخلاء. وليس بين كتل الجسيمات الأولية المختلفة أي علاقة بسيطة. وتقدر هذه الكتل عادة بإحدى وحدتين:أ) الكتلة الإلكترونية me، فيقال عندئذ إن كتلة البروتون مثلاً تساوي f1836 me.
ب) الإلكترون فلط eV ومضاعفاته: الميغا (مليون) MeV، والجيغا (مليار) GeV. والمعروف أن: (جول)
.ويمكن إيجاد الصلة بين هاتين الوحدتين من علاقة أينشتاين في التكافؤ بين الكتلة والطاقة E=mc2 حيث c سرعة الضوء في الخلاء فيكون:
وعلى هذا تكون كتلة البروتون مساوية k938.3 MeVأي قريبة من l1 GeV.
وتقع كتل الجسيمات الأولية المعروفة الآن بين الصفر (الفوتون وربما النترينو) وk70 GeV.
3 ـ الشحنة الكهربائية: يحمل بعض الأنواع الجسيمية شحنة كهربائية موجبة أو سالبة. ومنها ما يكون عديم الشحنة (أي متعادل الشحنات). ولسبب عميق ما يزال مجهولاً تأتي الشحنة الكهربائية للجسيمات المعروفة كلها، بقطع النظر عن إشارتها، أضعافاً بسيطة من شحنة البروتون التي اتُخذت وحدة أساسية لقياس الشحنات ويرمز إليها بـ e. وعلى هذا تكون شحنة البروتون +1، والإلكترون -1 والنترون 0. (يُغفل الرمزe اختصاراً). والشحنة الكهربائية لأي جسيم معروف تساوي +2 أو +1 أو -1 أو الصفر. أما قيمة e مقدرة بالوحدة المألوفة لقياس الشحنة الكهربائية (الكولون) فهي:
4 ـ الاستقرار والعمر المتوسط: يُميَّز بين الجسيمات المستقرة واللامستقرة (القلقة). فالأولى غير قادرة على التفكك مهما كان نمط التفاعل المدروس. تلك هي حالة الإلكترون والبروتون والفوتون. أما غالبية الجسيمات فهي على العكس عرضة للتفكك إلى جسيمين آخرين أو أكثر، ويمكن تسميتها «شبه مستقرة» metastable. وكلما كان التفاعل أشد كان العمر المتوسط τ للجسيم أقصر. [العمر المتوسط هو الزمن الذي بانقضائه ينقص عدد الجسيمات e = 2.718 مرة (العدد النيبري). ويستعمل أحياناً العمر النصفي (أو عمر النصف أو الدور) T وهو المدة التي يتفكك بانقضائها نصف عدد الجسيمات. والعلاقة بين هذين المقدارين هي: T= τ ln2 أو τ =1.44T]. ويقع العمر المتوسـط بين k10-23Sو k10-21Sوبين k10-20S وk10-15 S في حالة التفاعلات الكهرمغنطيسـية، وبين k10-10S وk10-6S في حالة التفاعلات الضعيفة. ويتأثر العمر المتوسط ببعض الظروف: «طاقة التفكك» مثلاً. ففي حالة التفكك بيتا للنترون تساوي طاقة التفكك k0.78 MeV فقط وهي صغيرة جداً، وهذا ما يفسر القيمة الكبيرة لدور تفكك النترون إلى بروتون وإلكترون ونترينو مضاد) الذي يساوي 10.4 دقيقة. والنترون هو أطول الجسيمات شبه المستقرة عمراً.
إن إمكانات رصد الجسيمات القصيرة العمر جداً مرتبطة بالتصحيح النسبوي الذي يطبَّق عليها لقرب سرعاتها v من سرعة الضوء c. فهي تقطع خلال «حياتها» مسافة متوسطة تساوي t.
أي تساوي بالمتر: . فإذا كان فإن هذه المسافة تساوي نحو k10-15m (أي فرمي واحداً وهذا مَقَاس النكلون) في حالة التفاعلات الشديدة. ولكنها من مرتبة الأنغستروم (k10-10m) في حالة التفاعلات الكهرمغنطيسية، ويمكن أن تقاس بالأمتار في حالة التفاعلات الضعيفة.ثمة نتيجة أخرى لقصر بعض الأعمار المتوسطة هي عدم الدقة في تحديد الطاقة، ومن ثَم تحديد كتلة الجسيم المدروس. وفي الواقع تسمح علاقة هايزنبرغ في الارتياب، بالقول إن طاقة الجسيم E (كتلته m) ترتبط بزمن قياسها Δt (أو بعمر الجسيم τ) بالعلاقة: ΔΕ.t ≈ ħ، (من الواضح أن Δt << t) حيث ħ هي ثابتة بلانك المقسومة على 2π أي تساوي: ħ = 6.6 ´ 10-22 MeV وعلى هذا فإن جسيماً غير مستقر بالنسبة إلى التفاعل الشديد (جسيم «تجاوبي» مثلاً) يمكن أن يُبدي «عرضاً» يبلغ عدة عشرات الــ MeV. (انظر الجدول 2).
5 ـ السبين spin: لكل نوع من الجسيمات الأولية خاصية ميكانيكية كمومية تسمى السبين. وللسبين طبيعة العزم الزاوي، ويقاس من ثَم بالوحدة ħ ويعبّر عنه بالعدد الكمومي السبيني s (الذي هو عدد صحيح أو صفر، أو نصف عدد فردي). فيكون السبين مساوياً sħ (وغالباً ما يغفل ذكر الوحدة ħ). فيقال عن الإلكترون الذي سبينه
إن سبينه . وفي حالة الجسيم Ω- يكون وللفوتون s =1. وبعض الجسيمات عديمُ السبين كالميزونَيْن π وK. ويختلف سلوك الجسيمات بحسب سبينها. وتسمى الجسيمات التي سبينها نصف عدد فردي فرميونات fermions (لأنها تخضع لإحصاء فرمي ـ ديراك) وهي تخضع لمبدأ باولي (الاستبعاد) الذي ينص على استحالة أن يحتل فرميونان حالة كمومية واحدة. في حين تسمى الجسيمات التي سبينها يساوي الصفر أو عدداً صحيحاً (0، 1، 2، …) بوزونات bosons (لأنها تخضع لإحصاء بوزه ـ أينشتاين) وهي لا تخضع لمبدأ باولي.6 ـ السبين النظيري: إن متجهة السبين النظيري isospin
هي مميِّزٌ كمومي شكلي أُدخل في الأصل لوصف تطابق الخواص النووية للبروتون والنترون. ولها قيمة واحدة لكل من هذين النكلونين. وتتعين المتجهة في فضاء نظيري شكلي (أو مساعد). وتصف مركبتها IZ حالة الجسيم من حيث الشحنة الكهربائية. فالمركبة تميز البروتون. ويتميز النترون بـ يشير اختلاف المركبات إلى اختـلاف الشحنة الكهربائية). ويحسب عدد المركبــات مــن i2I +1، ففي حالة كلٍ من البروتون والنترون يكون: .وقد عمم مفهوم السبين النظيري على النوى. فالنواتان
(الهليوم ذو العدد الكتلي 3 والعدد الذري 2) و تكونان ثنائية doublet ولهما سبين نظيري يساوي وعدد مركبات . وتختلفان في الشحنة الكهربائية. وتكون النواتان ثنائية أخرى، ولهما سبين نظيري يساوي وهما مختلفان أيضاً في الشحنة الكهربائية. أما النوى فتكون ثلاثية triplet إذ لها سبين نظيري يساوي الواحد وتختلف فيما بينها بالشحنة الكهربائية أيضاً.وإضافة إلى الثنائيات النووية والثلاثيات والتعدديات multiplets المختلفة فيما بينها بالشحنة الكهربائية، ثمة أحاديات نووية singlet كنواة الدوتيريوم
ونواة الهليوم (ليس لها مثيلات إيزوبارية). والسبين النظيري لهاتين النواتين معدوم.وتنسحب فكرة السبين النظيري على الجسيمات الأولية فتساعد على تجميعها في مجموعات لها مميزات كمومية متطابقة، وتختلف فيما بينها بالسبين النظيري فقط، أي تختلف فيما بينها بالشحنة الكهربائية. فالبروتون والنترون يكوّنان ثنائية سبينها النظيري
. وتكوّن الميزونات π -, π0, π+ ، ثلاثية سبينها النظيري 1. أما الهيبرونان Λ0 و- Ω اللذان لا مثيل لكل منهما في الخصائص النووية، فيكوّن كل منهما أحادية I = 0 عديمة السبين النظيري. في حين تكوّن جسيمات «التجاوب» Δ رباعية سبينها النظيري .7 ـ النِّديِّة (أو المماثلة) parity: تميز الندية تناظرَ الجسيم بالنسبة إلى انعكاس محاور الإحداثيات الثلاثة في الفضاء. أي التعويض عن بـ z, y, x z, -y, -x- (وهذا يكافئ الانعكاس في المرآة المستوية أي انعكاس محور واحد فقط). ويُشار إليها بـ + أو - إذا تحوّل التابع (الدالة) الموجي ψ إلى ψ+ أو ψ- بتأثير «مؤثر الندية» ذي القيمتين الخاصتين: +1 الموافقة للندية الزوجية، أو −1 المقابلة للندية الفردية. فإذا كان s هو سبين الجسيم فإنه يشار إليها رمزياً بـ s p حيث P هي الإشارة + أو -.
يقال عن البوزونات العديمة السبين وذات الندية الموجبة إنها بوزونات سُلَّميّة (عددية) +o. أما تلك ذات الندية الفردية فهي بوزونات سلمية كاذبة كالميزونين π و
.تسمى البوزونات ذات السبين 1 بوزونات متجهة. وهي تمثل بمتجهات محورية (كاذبة) إذا كانت نديتها زوجية، وبمتجهات قطبية (حقيقية) إذا كانت فردية الندية كالميزون p: -1 والفوتون -1 وتمثّل البوزونات ذات السبين 2 بتنسورات.
أما في حالة الفرميونات فيفترض أن للبروتون والنترون والباريون Λ نديات زوجية
وتكون ندية الفرميون معاكسة لندية الفرميون المضاد له. ففي حالة البروتون المضاد هي . وبالمقابل فإن ندية البوزون والبوزون المضاد هي واحدة: فالميزونان كلاهما k0-.تصنيف الجسيمات الأولية Classification of Elementary Particles
تصنف الجسيمات دون الذرية في صنفين:
1 ـ الأول هو صنف اللبْتونات leptons (أي الخفيفات). وأَشْيَعُها الإلكترون e. ومنها الميون muon (ورمزه μ) والتاوون tauon (أو اللبتون تاو τ). والميونات والتاوونات غير مستقرة (قلقة) وتتفكك بسرعة.
وفضلاً على هذه اللبتونات الثلاثة المشحونة بالكهرباء السالبة ثمة ثلاثة لبتونات عديمة الشحنة تحمل اسماً واحداً هو النترينو ورمزها ν. ويرتبط كل نترينو neutrino في سلوكه بواحد من اللبتونات المشحونة، ومنه يستمد اسمه. لذلك هناك نترينو الإلكترون (أو النترينو الإلكتروني νe) ونترينو الميون (أو النترينو الميوني νμ) ونترينو التاوون (أو نترينو التاو νt). وقد افترض فيما مضى أن كتلة νe السكونية معدومة، وهذا ما يسمح له بالتحرك بسرعة الضوء. إلا أنه لا توجد أسباب نظرية وجيهة لانعدام كتل النترينوهات، ويضطر الباحثون اليوم إلى وضع حدود عليا لقيمها.
وعلى هذا تصنف اللبتونات في ثلاث طوائف أو ثلاث ثنائيات كما في الجدول (3).
 الجدول (3) تصنيف اللبتونات |
). وهي لا تُسهم في التفاعلات النووية الشديدة وإنما في التفاعلات الضعيفة. [وهناك جسيمات أخرى تسهم في بعض التفاعلات الضعيفة، وقد تبين أنها بوزونات. والتفاعلات الضعيفة التي تستلزم تبادلاً في الشحنة الكهربائية ـ كتفكك النترون إلى بروتون وإلكترون ـ محكومة بالبوزون المتجه الوسيط المشحون + w أو - w. أما التفاعلات الضعيفة الأخرى التي لا تستوجب تبادلاً في الشحنة فوسيطها هو البوزون المتجه الوسيط المتعادل Z0، وقد اكتُشفت هذه البوزونات الثلاثة في CERN ـ المركز الأوربي للبحوث النووية ـ سنة 1983].2 ـ الثاني هو صنف الهَدرونات hadrons (أي الثقيلات) وهي التي تتفاعل فيما بينها تفاعلاً شديداً. وأبرزها النكلونات nucleons (أي النوويات) وهي البروتونات والنترونات المكونة للنوى. وهناك عشرات الجسيمات الأخرى التي تنجم عن التفاعلات النووية. وتحمل الهدرونات الفرميونية اسماً عاماً هو الباريونات baryons (أي الثقيلات أيضاً)، وهي تضم النكلونات والهيبرونات hyperons (أي الثقيلات أيضاً). أما الهدرونات البوزونية فتسمى ميزونات mesons (أي المتوسطات) وأخفها الميزون ( العديم السبين). وتتفكك الهدرونات ـ باستثناء البروتون ـ إلى هدرونات أخف أو إلى لبتونات.
والمخطط 4 يلخص ما سبق.
قوانين الانحفاظ
يمكن الحصول على معلومات مهمة جداً عن العمليات التي تجري بمشاركة الجسيمات الأولية والنوى الذرية والذرات، من قوانين الانحفاظ.
1ـ قانون انحفاظ الطاقة
إن الطاقة الكلية لأي منظومة معزولة تبقى ثابتة مهما حدث فيها من تحولات. (نظرياً، هذا القانون هو نتيجة لتجانس الزمن: أي كل لحظات الزمن متكافئة. وبكلام آخر يعبِّر هذا القانون عن الصمود (اللاتَغَيُّر) invariance إزاء انسحاب الزمان).
2ـ قانون انحفاظ الاندفاع
إن اندفاع منظومة معزولة يبقى ثابتاً قدْراً واتجاهاً. (نظرياً، هذا القانون هو نتيجة لتجانس الفضاء؛ ويعبر عن الصمود إزاء انسحاب المكان).
3 ـ قانون انحفاظ عزم الاندفاع (العزم الزاوي)
إن قيمة سبين الجسيم (أي العزم الزاوي الخاص) لا تتوقف على حالة حركته (فهي صفة مميزة داخلية). أما قيمة العزم المداري للجسيم فتتعين من حالة حركته. وفي التفاعل النووي ينحفظ العزم الزاوي الكلي للجسيمات المتفاعلة وكذلك مرتسمه على اتجاهٍ منتخب (قدراً واتجاهاً). نظرياً، هذا القانون هو نتيجة لتماثل مناحي الفضاء أي تساوي اتجاهاته كافة، ويعبِّر عن الصمود إزاء الدوران.
4 ـ قانون انحفاظ الشحنة الكهربائية و«الشحنات» الأخرى
في التفاعلات النووية والكهرمغنطيسية لا يتغير المجموع الجبري للشحنات الكهربائية بعد حدوث التفاعل بل يبقى ثابتاً. فمثلاً:
مثال آخر:
وهذا المثال مهم بوجه خاص لأنه يسمح بفهم ضرورة وجود «شحنات» أخرى للجسيم تنطبق عليه أيضاً قوانين الانحفاظ. وبالفعل يمكن أن يتحقق انحفاظ الشحنة الكهربائية، لا في العملية
فقط، وإنما في العمليات:ولكن لا يتحقق تجريبياً سوى العملية
. وهذا يعني أنه فضلاً على قانون انحفاظ الشحنة الكهربائية هناك قواعد حظر، تسمح للفوتون بتكوين الزوج (e-، e+) وتمنعه من تكوين الأزواج الأخرى، أي ثمة قوانين أخرى لانحفاظ «شحنات» أخرى تملكها الجسيمات، بحيث يبقى مجموع هذه «الشحنات» ثابتاً في العملية النووية. وهذه الشحنات هي: الشحنة الباريونية B، الشحنة اللبتونية الإلكترونية le، الشحنة اللبتونية الميونية lμ، والغرابة S. ويبين الجدول (1) قيم هذه «الشحنات» لمختلف الجسيمات الأولية. المخطط (4) تصنيف الجسيمات الأولية |
. أما الشحنتان الباريونية واللبتونية الميونية فمعدومتان عند هذين الجسيمين:(لا ينظر في الشحنة الرابعة ـ الغرابة ـ في حالة الإلكترونات).
وعلى هذا، في حالة الزوج إلكترون بوزترون تكون الشحنات الثلاث (الكهربائية الكلية والباريونية واللبتونية) معدومة، كما هو الحال لدى الفوتون. لذا فإن نشوء الزوج المذكور من الفوتون لا يتعارض مع أي من قوانين انحفاظ الشحنات. أما بقية العمليات المذكورة فإن كلاً منها يتعارض مع قانون (أو أكثر) من قوانين الانحفاظ. فمثلاً:
مثال آخر:
ويستوقف النظر هنا أن تفاعل جسيمين عاديين (غير غريبين) يؤدي إلى نشوء جسيمين متعاكسي الغرابة!.
مثال ثالث:
ويلاحظ أن «التجاوب» Δ لا يشاهد إلا في نواتج التفكك.
5 ـ قانون انحفاظ الندية
في التفاعلات النووية والكهرمغنطيسية تبقى الندية منحفظة. أي يلاحظ تناظر العملية إزاء عملية الانعكاس في المرآة (أي التعويض عن x, y, z بـ -x, -y, -z). أما في التفاعلات الضعيفة فلاتنحفظ الندية ويختل التناظر المرآوي في هذه العمليات.
6 ـ قانون انحفاظ السبين النظيري
في التفاعلات النووية الشديدة بين النوى (والجسيمات الأولية) يبقى السبين النظيري محفوظاً: فلا يجري التفاعل:
مكي الحَسَنيّ