W fizyce cząstek elementarnych: fermion jest rodzajem cząstki, która przestrzega zasad statystyki Fermi-Diraca, a mianowicie Zasada wykluczenia Pauliego. Te fermiony mają również spin kwantowy z zawiera wartość połowy liczby całkowitej, taką jak 1/2, -1/2, -3/2 itd. (Dla porównania istnieją inne rodzaje cząstek, zwane bozony, które mają spin całkowity, taki jak 0, 1, -1, -2, 2 itd.)
Co sprawia, że Fermiony są tak wyjątkowe
Fermiony są czasem nazywane cząsteczkami materii, ponieważ są to cząstki, które składają się na większość tego, co uważamy za materię fizyczną w naszym świecie, w tym protony, neutrony i elektrony.
Fermiony zostały po raz pierwszy przepowiedziane w 1925 r. Przez fizyka Wolfganga Pauliego, który próbował dowiedzieć się, jak wyjaśnić strukturę atomową zaproponowaną w 1922 r. Przez Niels Bohr. Bohr wykorzystał dowody eksperymentalne do zbudowania modelu atomowego zawierającego powłoki elektronowe, tworząc stabilne orbity dla elektronów do przemieszczania się wokół jądra atomowego. Chociaż dobrze to pasowało do dowodów, nie było konkretnego powodu, dla którego ta struktura byłaby stabilna, i to jest wyjaśnienie, do którego Pauli próbował dotrzeć. Uświadomił sobie, że jeśli przypisałeś numery kwantowe (później nazwane
spin kwantowy) dla tych elektronów, wydawało się, że istnieje jakaś zasada, która oznaczała, że żadne dwa elektrony nie mogą być dokładnie w tym samym stanie. Zasada ta stała się znana jako zasada wykluczenia Pauliego.W 1926 roku Enrico Fermi i Paul Dirac niezależnie próbowali zrozumieć inne aspekty pozornie sprzeczne zachowanie elektronów i dzięki temu stworzono pełniejszy sposób statystyczny radzenie sobie z elektronami. Chociaż Fermi opracował system jako pierwszy, byli wystarczająco blisko siebie i obaj wykonali wystarczająco dużo pracy, jaką ma potomność nazwali swoją metodę statystyczną statystyką Fermi-Diraca, chociaż same cząstki zostały nazwane na cześć Fermiego samego siebie.
Bardzo ważny jest fakt, że fermiony nie mogą zapaść się w ten sam stan - znowu to jest ostateczne znaczenie zasady wykluczenia Pauliego. Fermiony w słońcu (i wszystkie inne gwiazdy) zapadają się razem pod silną siłą grawitacji, ale nie mogą całkowicie zapaść się z powodu zasady wykluczenia Pauliego. W rezultacie powstaje ciśnienie, które naciska na zapadanie grawitacyjne materii gwiazdy. To ciśnienie generuje ciepło słoneczne, które napędza nie tylko naszą planetę, ale tak wiele energii w pozostałej części naszego wszechświata... w tym samo tworzenie ciężkich pierwiastków, jak opisano w nukleosynteza gwiazd.
Fundamentalne fermiony
Istnieje w sumie 12 podstawowych fermionów - fermionów, które nie składają się z mniejszych cząstek - które zostały eksperymentalnie zidentyfikowane. Można je podzielić na dwie kategorie:
-
Kwarki - Kwarki to cząstki, które tworzą hadrony, takie jak protony i neutrony. Istnieje 6 różnych rodzajów kwarków:
- W górę kwarka
- Charm Quark
- Top Quark
- Down Quark
- Dziwny Kwark
- Dolny kwark
-
Leptyny - Istnieje 6 rodzajów leptonów:
- Elektron
- Elektron Neutrino
- Muon
- Muon Neutrino
- Tau
- Tau Neutrino
Oprócz tych cząstek, teoria supersymetrii przewiduje, że każdy bozon miałby jak dotąd nie wykryty odpowiednik fermionowy. Ponieważ istnieje od 4 do 6 podstawowych bozonów, sugerowałoby to, że - jeśli supersymetria jest prawdziwa - istnieją kolejne 4 do 6 fundamentalne fermiony, które nie zostały jeszcze wykryte, prawdopodobnie dlatego, że są bardzo niestabilne i rozpadły się na inne formy.
Kompozytowe fermiony
Oprócz podstawowych fermionów można stworzyć inną klasę fermionów, łącząc ze sobą fermiony (prawdopodobnie wraz z bozonami), aby uzyskać powstałą cząsteczkę o spinie o wartości całkowitej. Spiny kwantowe sumują się, więc podstawowa matematyka pokazuje, że każda cząstka zawiera dziwne liczba fermionów zakończy się spinem o całkowitej liczbie całkowitej, a zatem będzie fermionem samo. Niektóre przykłady obejmują:
- Baryony - Są to cząstki, takie jak protony i neutrony, złożone z trzech połączonych kwarków. Ponieważ każdy kwark ma spin o wartości całkowitej całkowitej, wynikowy barion zawsze będzie miał spin o wartości całkowitej, niezależnie od tego, które trzy typy kwarków łączą się, aby go utworzyć.
- Hel-3 - Zawiera 2 protony i 1 neutron w jądrze oraz 2 krążące wokół niego elektrony. Ponieważ jest nieparzysta liczba fermionów, wynikowy spin jest wartością o wartości całkowitej. Oznacza to, że hel-3 jest również fermionem.
Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine