تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هي الليبتونات؟

كلمة ليبتون (Lepton) مُشتقّةٌ من الكلمة اليونانية (Leptos)، والتي تعني خفيف. الليبتونات (Leptons) عبارة عن جسيماتٍ أولية لا يمكن تقسيمها أي لا تتحلل.

ما هي خصائص الليبتونات؟

تتمتع بالعديد من الخصائص منها: ^[1]

1- تخضع الليبتونات لإحصاء فيرمي- ديراك، وتُصنّف على أنها من الفرميونات، وتملك سبينات مساوية 1/2.

 2- تحمل الليبتونات شحناتٍ كهربائية صحيحة أو معدومة.

3- تشارك الليبتونات في التأثيرات المتبادلة الضعيفة، والتأثيرات المتبادلة الكهرومغناطيسية فقط (لا تشارك في التأثيرات المتبادلة القوية).

4- تشكل ثنائيات في التأثيرات المتبادلة الضعيفة.

ممَّ تتكون عائلة الليبتونات؟

تتكون من ثلاثة أزواج: ^[2]

– الإلكترون السالب [math]e^{-}[/math] والنيوترينو الإلكتروني [math]\nu _{e}[/math].

– الميون السالب [math]\mu^{-}[/math] والنيوترينو الميوني [math]\nu _{\mu }[/math].

– التاو السالب [math]\tau ^{-}[/math] والنيوترينو التاوي [math]\nu _{\tau}[/math].

أي يحتوي كل زوجٍ على جسيمٍ مشحون وجسيمٍ غير مشحون (معتدل الشحنة).

ممّ تتكون عائلة أضداد الليبتونات؟

تتكون عائلة أضداد الليبتونات من ثلاثة أزواج:

– البوزيترون [math]e^{+}[/math] وضديد النيوترينو الإلكتروني [math]\overline{\nu _{e}}[/math]

– الميون الموجب [math]\mu ^{+}[/math] وضديد النيوترينو الميوني [math]\overline{\nu _{\mu }}[/math]

– التاو [math]\tau ^{+}[/math] وضديد النيوترينو التاوي [math]\overline{\nu _{\tau }}[/math]

خصائص عناصر الليبتونات

لنتعرف على خصائص كل عنصرٍ من الليبتونات.

1- الإلكترون

اكتُشف الإلكترون (Electron) من قبل تومسون في عام 1897، وهو من أقل الجسيمات المشحونة كتلة، والتي تساوي (0.511MeV)، ويحمل شحنةً سالبة، وهو جسيمٌ مستقرٌّ أي لا يتفكك، وذلك بسبب انحفاظ الكتلة، وانحفاظ الشحنة. ^[3]

2- البوزيترون

البوزيترون (Positron) هو الجسيم المضاد للإلكترون، لذلك له كتلة مساوية لكتلة الإلكترون وشحنة موجبة أي شحنة معاكسة لشحنة الإلكترون، وهو جسيمٌ غير مستقر، ولكنه لا يتفكك، بل يفنى عند التقائه بإلكترون مشكلاً مجموعةً تسمّى البوزيترينيوم لتتفكك خلال زمنٍ قصيرٍ جداً منتجةً فوتونّين. ^[3]

3- الميون

نشر يوكاوا نظريته في عام 1935، يقترح فيها تبادل جسيمات بين النيوكليونات تحمل القوة النووية القوية ذات مدى قصير [math]10^{-15}m[/math] . في عام 1937 قام العلماء بدراسة فقدان طاقة الأشعة الكونية في مادة الرصاص، ومن خلال رصد الصور في الحجرة الضبابية تبين وجود جسيماتٍ مؤيّنةٍ جديدة، فهي:

– ليست بروتونات (الأيونات المتولدة عنها أقل من تلك الناتجة عن البروتونات).

– ليست إلكترونات (معدل فقدانها للطاقة أقل من معدل فقدان الإلكترونات لطاقتها).

أُطلق على هذه الجسيمات مُسمّى الميون (Muon)، ولقد بيّنت الدراسات المغناطيسية أن هذه الجسيمات موجبة وسالبة الشحنة، وكتلها تساوي 207 كتلة الإلكترون أي حوالي106MeV.

4- التاو

يمتلك الليبتون تاو (Tau) شحنةً سالبة، بينما يمتلك ضديده شحنةً موجبة، وهو جسيمٌ غير مستقر، وفترة حياته تساوي [math]2.9\times 10^{-13}s[/math].

5- النيوترينو

النيوترينوات هي جسيماتٌ أولية (دون ذرية) تتحرك بسرعة الضوء، ولا تمتلك شحنةً كهربائية، وكتلتها صغيرة جداً لكل نيوترينو (Neutrino) جسيمٌ مضادٌّ له يدعى نيوترينو مضاد. ^[4]

– النيوترينو الإلكتروني [math]\nu _{e}[/math] له ضديد النيوترينو الإلكتروني [math]\overline{\nu _{e}}[/math].

– النيوترينو الميوني [math]\nu _{\mu }[/math] له ضديد النيوترينو الميوني [math]\overline{\nu _{\mu }}[/math].

– النيوترينو التاوي [math]\nu _{\tau }[/math] له ضديد النيوترينو التاوي [math]\overline{\nu _{\tau }}[/math].

الشحنة البروتونية لليبتونات

سوف نمنح الإلكترون شحنةً بروتونية B (e ⁻ )  مساويةً للصفر، ولنحدّد بناءً على ذلك الشحنة البروتونية لباقي الليبتونات: ^[5]

نلاحظ أن جميع الليبتونات ذات شحنةٍ بروتونية (عدد باريوني) يساوي الصفر.

الشحنة الليبتونية أو العدد الليبتوني

لتحديد الشحنة الليبتونية (Lepton Number L) للجسيمات المختلفة سنطبق على الإلكترون نفس الطريقة التي استخدمناها في حالة البروتون. سنقوم مبدئياً بمنح شحنةٍ إلكترونيةٍ للإلكترون تساوي الواحد L(e ⁻ ) = +1 وشحنة إلكترونية للبروتون والنيوترون تساوي الصفر L(p)= L(n)= 0، ونستنتج قيم الشحنة الإلكترونية لبقية الجسيمات إن أمكن ذلك، وإن لم نستطع سنعود لمنح شحنات إلكترونية لجسيماتٍ أخرى.

هكذا استطعنا بمساعدة التفاعلات السابقة تحديد الشحنة الإلكترونية للجسيماتت:

[math]Y,e^{+},\pi ^{\circ },\pi ^{+},\pi ^{-}[/math]

نلاحظ أن الشحنة الإلكترونية لجميع الجسيمات، عدا الليبتونات (الإلكترون وضديده البوزيترون) تكون مساويةً للصفر. الشحنة الإلكترونية للميون السالب تساوي 1 ولضديده الميون الموجب تساوي -1 انطلاقاً من تفاعلات تفكك الميون. عند النظر إلى تفاعلات تفكك البيون الموجب والبيون السالب نجد أن انحفاظ الشحنة الإلكترونية في تفكك البيون السالب تفرض أن تكون قيمة الشحنة الإلكترونية للنيوترينو تساوي -1، بينما انحفاظ الشحنة الإلكترونية في تفكك البيون الموجب تفرض أن تكون قيمة الشحنة الإلكترونية للنيوترينو تساوي +1.

إذاً يملك النيوترينو قيمتين متعاكستين للشحنة الإلكترونية، وهذا غير مقبول، ولحلّ هذه المعضلة هناك فرضيتان:

 الأولى: تعتبر بأن الشحنة الإلكترونية غير موجودة.

 الثانية: تفترض وجود 2 نيوترينو مختلفين بشحناتٍ إلكترونية متعاكسة.

الفرضية الثانية التي تفترض 2 نيوترينو نرمز للنيوترينو الأول بالرمز ν ونرمز للنيوترينو الثاني بالرمز [math]\overline{\nu }[/math]

 والشحنة الإلكترونية لهما هي:

تفاعلات تفكك البيونات بإصدار الميونات تسمح لنا بالتأكيد على أن الشحنة الإلكترونية للميون [math]L\left ( \mu \right )= \pm 1[/math] ، ولا يوجد تفاعلٌ آخر يسمح لنا بتحديد قيمة الشحنة الإلكترونية للميون بدون فرضية وجود 2 نيوترينو مختلفين، لذلك سنصطلح على الشحنة الإلكترونية للميون السالب تساوي +1 والشحنة الإلكترونية للميون الموجب تساوي -1. 

يمكننا كتابة التفاعلات الأخيرة لتفكك البيونات على الشكل:

كل الدراسات السابقة مبنية على فرضية الـ 2 نيوترينو المختلفين [math]\overline{\nu }[/math] و [math]\nu [/math].

الشحنة الإلكترونية للتاو السالب تساوي 1 وللتاو الموجب تساوي -1

[math]L\left ( \tau ^{-} \right )= +1,L\left ( \tau ^{+} \right )= -1[/math]

كما هو الحال بالنسبة للإلكترون والميون. بما أن الشحنة الإلكترونية L لا تختلف عن الصفر إلا من أجل الليبتونات ندعو الشحنة الإلكترونية بالشحنة الليبتونية، ويكون هناك بالتالي شحنة ليبتونية لكل فرد من الليبتونات. ^[6]

نلخص في الجدول التالي الأعداد الليبتونية المختلفة لليبتونات.

القيمة العددية للعدد أو الشحنة الليبتونية

يمكننا تحديد القيمة العددية للشحنة الليبتونية انطلاقاً من العلاقة التالية:

n₁ :يمثل العدد الكلي لليبتونات.

n_-1:يمثل العدد الكلي لليبتونات المضادة.

باعتبار أن الليبتونات جسيماتٍ غير مكونة من ليبتونات أخرى:

جميع الليبتونات ذات عدد ليبتوني L =+1            

جميع الليبتونات المضادة ذات عدد ليبتوني    L =-1

جميع الجسيمات الأخرى ذات عدد ليبتوني     L = 0

العدد الليبتوني محفوظ في جميع التأثيرات المتبادلة ΔL=1

أمثلة على انحفاظ العدد الليبتوني:

نورد فيما يلي أمثلة على انحفاظ العدد الليبتوني

انحفاظ العدد الليبتوني في إنتاج الأزواج

انحفاظ العدد الليبتوني في تفكك البايون

انحفاظ العدد الليبتوني في تفكك الميون