Fysik Fermion Definition

I partikelfysik, a fermion är en typ av partikel som följer reglerna i Fermi-Dirac-statistiken, nämligen Pauli-uteslutningsprincipen. Dessa fermioner har också en kvantspinn med innehåller ett heltal med ett heltal, såsom 1/2, -1/2, -3/2, och så vidare. (Som jämförelse finns det andra typer av partiklar, kallade bosoner, som har ett heltalspinn, såsom 0, 1, -1, -2, 2, etc.)

Vad gör Fermions så speciellt

Fermioner kallas ibland materiapartiklar, eftersom det är de partiklar som utgör det mesta av det vi tänker på som fysisk materia i vår värld, inklusive protoner, neutroner och elektroner.

Fermions förutsades första gången 1925 av fysikern Wolfgang Pauli, som försökte ta reda på hur man skulle förklara atomstrukturen som föreslogs 1922 av Niels Bohr. Bohr hade använt experimentella bevis för att bygga en atommodell som innehöll elektronskal och skapade stabila banor för elektroner att röra sig runt atomkärnan. Även om detta stämde väl med bevisen fanns det ingen särskild anledning till att denna struktur skulle vara stabil och det är förklaringen som Pauli försökte nå. Han insåg att om du tilldelade kvantnummer (senare namngivna kvantspinn) för dessa elektroner så verkade det finnas någon form av princip som innebar att inga två av elektronerna kunde vara i exakt samma tillstånd. Denna regel blev känd som Pauli-uteslutningsprincipen.

1926 försökte Enrico Fermi och Paul Dirac självständigt att förstå andra aspekter av till synes motstridiga elektronbeteenden och etablerade därigenom ett mer fullständigt statistiskt sätt att hantera elektroner. Även om Fermi utvecklade systemet först var de tillräckligt nära och båda gjorde tillräckligt med arbete för att eftertiden har kallat deras statistiska metod Fermi-Dirac-statistik, även om själva partiklarna var uppkallade efter Fermi själv.

Det faktum att fermioner inte alla kan kollapsa i samma tillstånd - igen, det är den ultimata betydelsen av Pauli-uteslutningsprincipen - är mycket viktigt. Färionerna i solen (och alla andra stjärnor) kollapsar samman under den intensiva tyngdkraften, men de kan inte helt kollapsa på grund av Pauli-uteslutningsprincipen. Som ett resultat finns det ett tryck som alstras mot att tyngdpunkten kollapsar av stjärnmaterialet. Det är detta tryck som genererar solvärmen som bränsle inte bara vår planet utan så mycket av energin i resten av vårt universum ... inklusive själva bildandet av tunga element, som beskrivs av stellar nukleosyntes.

Grundläggande Fermions

Det finns totalt 12 grundläggande fermioner - fermioner som inte består av mindre partiklar - som har identifierats experimentellt. De ingår i två kategorier:

• kvarkar - Kvarkar är de partiklar som utgör hasroner, såsom protoner och neutroner. Det finns 6 olika typer av kvarkar:
  • • Upp Quark
  • Charm Quark
  • Top Quark
  • Down Quark
  • Strange Quark
  • Botten Quark
• leptoner - Det finns 6 typer av leptoner:
  • • Elektron
  • Elektron Neutrino
  • Muon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

Förutom dessa partiklar förutspår teorin för supersymmetri att varje boson skulle ha en hittills oupptäckt fermionisk motsvarighet. Eftersom det finns 4 till 6 grundläggande bosoner, tyder det på att - om supersymmetri är sant - finns det ytterligare 4 till 6 grundläggande fermioner som ännu inte har upptäckts, förmodligen för att de är mycket instabila och har förfallit till andra former.

Composite Fermions

Utöver de grundläggande fermionerna kan en annan klass av fermioner skapas genom att kombinera fermioner tillsammans (eventuellt tillsammans med bosoner) för att få en resulterande partikel med en halv-heltal snurr. Kvantspinnen lägger till, så en del grundläggande matematik visar att alla partiklar som innehåller ett udda antal fermioner kommer att hamna med en halvheltalsspinn och därför kommer att vara en fermion själv. Några exempel inkluderar:

• baryoner - Dessa är partiklar, som protoner och neutroner, som består av tre kvarkar som är sammanfogade. Eftersom varje kvark har en halv-heltal snurra, kommer den resulterande baryonen alltid att ha en halv-heltal snurr, oavsett vilka tre typer av kvark som går samman för att bilda den.
• Helium-3 - Innehåller 2 protoner och 1 neutron i kärnan, tillsammans med 2 elektroner som cirklar runt den. Eftersom det finns ett udda antal fermioner är den resulterande snurrningen ett heltal med ett heltal. Detta betyder att helium-3 också är en fermion.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.