Fermionin määritelmä fysiikassa

Hiukkasfysiikassa a Fermion on hiukkasmuoto, joka noudattaa Fermi-Dirac-tilastojen sääntöjä, nimittäin Paulin poissulkemisperiaate. Näillä fermioneilla on myös a kvantti spin kanssa sisältää puolittain kokonaisluvun arvot, kuten 1/2, -1/2, -3/2 ja niin edelleen. (Vertailun vuoksi on olemassa muun tyyppisiä hiukkasia, nimeltään bosonit, joilla on kokonaisluku spin, kuten 0, 1, -1, -2, 2 jne.)

Fermioneja kutsutaan joskus ainepartikkeleiksi, koska ne ovat hiukkasia, jotka muodostavat suurimman osan siitä, mitä ajattelemme fysikaaliseksi aineeksi maailmassa, mukaan lukien protonit, neutronit ja elektronit.

Fermioneja ennusti ensimmäisen kerran vuonna 1925 fyysikko Wolfgang Pauli, joka yritti selvittää, kuinka selittää vuonna 1922 ehdottama atomirakenne. Niels Bohr. Bohr oli käyttänyt kokeellista näyttöä rakentaakseen atomimallin, joka sisälsi elektronikuoria, luomalla vakaita kiertoratoja elektroneille liikkua atomin ytimen ympärillä. Vaikka tämä vastasi hyvin todisteita, ei ollut mitään erityistä syytä, miksi tämä rakenne olisi vakaa, ja se on selitys, jonka Pauli yritti tavoittaa. Hän tajusi, että jos annat kvantinumeroita (myöhemmin nimetty

Enrico Fermi ja Paul Dirac yrittivät itsenäisesti ymmärtää vuonna 1926 näennäisesti ristiriitainen elektronikäyttäytyminen ja näin tehdessään vakiinnutti täydellisemmän tilastollisen tavan elektronien käsittely. Vaikka Fermi kehitti järjestelmän ensin, ne olivat riittävän lähellä ja molemmat tekivät tarpeeksi työtä, mitä jälkipolvilla on kopioinut niiden tilastollisen menetelmän Fermi-Dirac-tilastoiksi, vaikka hiukkaset itsekin nimettiin Fermin mukaan hän itse.

Se, että kaikki fermionit eivät voi romahtaa samaan tilaan - se on jälleen Paulin poissulkemisperiaatteen lopullinen merkitys - on erittäin tärkeä. Auringon sisällä olevat fermionit (ja kaikki muut tähdet) romahtavat yhteen voimakkaan painovoiman vaikutuksesta, mutta ne eivät voi romahtaa kokonaan Paulin poissulkemisperiaatteen vuoksi. Seurauksena syntyy paine, joka työntää tähtiaineen painovoiman romahtamista vastaan. Juuri tämä paine tuottaa aurinkolämpöä, joka polttaa planeettamme lisäksi niin paljon energiaa muualla maailmankaikkeudessa... mukaan lukien raskaiden elementtien muodostuminen, kuten tähtien nukleosynteesi.

Kokeellisesti on tunnistettu 12 perustavaa laatua olevaa fermionia - fermioita, jotka eivät koostu pienemmistä hiukkasista -. Ne voidaan jakaa kahteen luokkaan:

• kvarkkien - Kvarkit ovat hiukkasia, jotka muodostavat hadronit, kuten protonit ja neutronit. Kvarkeja on 6 eri tyyppiä:
  • • Ylös Quark
  • Charm Quark
  • Huippukvarkki
  • Kvarkki alas
  • Strange Quark
  • Pohjatukka
• leptonit - Leptoneja on 6 tyyppiä:
  • • elektroni
  • elektroni Neutrino
  • muon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

Näiden hiukkasten lisäksi supersymmetria -teoria ennustaa, että jokaisella bosonilla olisi toistaiseksi havaitsematon fermioninen vastine. Koska on 4 - 6 perustavanlaatuista bosonia, tämä viittaa siihen, että - jos supersymmetria on totta - on vielä muita 4 - 6 perustavanlaatuisia fermioneja, joita ei ole vielä havaittu, luultavasti siksi, että ne ovat erittäin epävakaita ja muuntuneet muiksi muotoja.

Perusfermionien lisäksi voidaan luoda toinen fermionien luokka yhdistämällä fermioneja (mahdollisesti yhdessä bosonien kanssa), jolloin saadaan tuloksena oleva partikkeli, jolla on puolilukumääräinen spin. Kvanttien spinnit laskevat yhteen, joten jotkut matematiikan perusteet osoittavat, että mikä tahansa hiukkanen, joka sisältää parittoman joukko fermioneita tulee lopulta puoliksi kokonaislukuna ja näin ollen siitä tulee fermioni itse. Joitakin esimerkkejä ovat:

• Baryonit - Nämä ovat hiukkasia, kuten protoneja ja neutroneja, jotka koostuvat kolmesta kvarkista, jotka on liitetty toisiinsa. Koska jokaisella kvarkilla on puoli-kokonaislinkki, spinillä, tuloksena olevalla baryonilla on aina puoli-kokonaisl spin, riippumatta siitä, mitkä kolme kvarkin tyyppiä yhdistyvät sen muodostamiseksi.
• Helium-3 - Sisältää ytimessä 2 protonia ja 1 neutronin, sekä 2 sitä kiertävää elektronia. Koska fermioneja on pariton määrä, tuloksena oleva spin on puoli-kokonaislukuarvo. Tämä tarkoittaa, että helium-3 on myös fermioni.

Muokannut Tohtori Anne Marie Helmenstine