Fysikk: Fermion Definisjon

Hvorfor fermioner er så spesielle

Standardmodellen av elementærpartikler. Fermilab

I partikkelfysikk, a fermion er en type partikkel som følger reglene for Fermi-Dirac-statistikk, nemlig Pauli eksklusjonsprinsipp . Disse fermionene har også en kvantespinn med inneholder en halvheltallsverdi, for eksempel 1/2, -1/2, -3/2, og så videre. (Til sammenligning finnes det andre typer partikler, kalt bosoner , som har et heltallsspinn, for eksempel 0, 1, -1, -2, 2, osv.)

Hva gjør fermioner så spesielle

Fermioner kalles noen ganger materiepartikler, fordi de er partiklene som utgjør det meste av det vi tenker på som fysisk materie i vår verden, inkludert protoner, nøytroner og elektroner.

Fermioner ble først spådd i 1925 av fysikeren Wolfgang Pauli, som prøvde å finne ut hvordan han skulle forklare atomstrukturen som ble foreslått i 1922 av Niels Bohr . Bohr hadde brukt eksperimentelle bevis for å bygge en atommodell som inneholdt elektronskall, og skapte stabile baner for elektroner å bevege seg rundt atomkjernen. Selv om dette stemte godt med bevisene, var det ingen spesiell grunn til at denne strukturen ville være stabil, og det er forklaringen Pauli prøvde å nå. Han innså at hvis du tildelte kvantetall (senere kalt kvantespinn ) til disse elektronene, så det ut til å være et slags prinsipp som betydde at ikke to av elektronene kunne være i nøyaktig samme tilstand. Denne regelen ble kjent som Pauli Exclusion Principle.

I 1926 prøvde Enrico Fermi og Paul Dirac uavhengig å forstå andre aspekter av tilsynelatende motstridende elektronadferd og etablerte dermed en mer fullstendig statistisk måte å håndtere elektroner på. Selv om Fermi utviklet systemet først, var de nærme nok og begge gjorde nok arbeid til at ettertiden har kalt deres statistiske metode Fermi-Dirac-statistikk, selv om partiklene i seg selv ble oppkalt etter Fermi selv.

Det faktum at fermioner ikke alle kan kollapse til samme tilstand - igjen, det er den ultimate betydningen av Pauli-eksklusjonsprinsippet - er veldig viktig. Fermionene i solen (og alle andre stjerner) kollapser sammen under den intense tyngdekraften, men de kan ikke kollapse fullstendig på grunn av Pauli-eksklusjonsprinsippet. Som et resultat genereres det et trykk som presser mot gravitasjonskollapsen av stjernens materie. Det er dette trykket som genererer solvarmen som driver ikke bare planeten vår, men så mye av energien i resten av universet vårt ... inkludert selve dannelsen av tunge elementer, som beskrevet av stjernenukleosyntese .

Grunnleggende fermioner

Det er totalt 12 fundamentale fermioner - fermioner som ikke består av mindre partikler - som er eksperimentelt identifisert. De faller inn i to kategorier:

• Quarks – Kvarker er partiklene som utgjør hadroner, som protoner og nøytroner. Det er 6 forskjellige typer kvarker:
  • • Opp Quark
  • Sjarm Quark
  • Topp Quark
  • Ned Quark
  • Merkelig kvark
  • Bunn Quark
• Leptoner - Det er 6 typer leptoner:
  • • Elektron
  • Elektron Nøytrino
  • Muon
  • Muon Neutrino
  • Ja
  • Nøytrinonummer

I tillegg til disse partiklene, forutsier teorien om supersymmetri at hvert boson ville ha en så langt uoppdaget fermionisk motstykke. Siden det er 4 til 6 fundamentale bosoner, vil dette antyde at - hvis supersymmetri er sant - det er ytterligere 4 til 6 fundamentale fermioner som ennå ikke har blitt oppdaget, antagelig fordi de er svært ustabile og har forfalt til andre former.

Sammensatte fermioner

Utover de grunnleggende fermioner, kan en annen klasse fermioner opprettes ved å kombinere fermioner sammen (muligens sammen med bosoner) for å få en resulterende partikkel med et halvt heltalls spinn. Kvantespinnene summerer seg, så noe grunnleggende matematikk viser at enhver partikkel som inneholder et oddetall fermioner kommer til å ende opp med et halvt heltallsspinn og vil derfor være en fermion i seg selv. Noen eksempler inkluderer:

Baryoner– Dette er partikler, som protoner og nøytroner, som er sammensatt av tre kvarker som er koblet sammen. Siden hver kvark har et halvt heltallsspinn, vil den resulterende baryonen alltid ha et halvt heltallsspinn, uansett hvilke tre typer kvark som går sammen for å danne den.Helium-3- Inneholder 2 protoner og 1 nøytron i kjernen, sammen med 2 elektroner som sirkler den. Siden det er et oddetall fermioner, er det resulterende spinnet en halvheltallsverdi. Dette betyr at helium-3 også er en fermion.

Redigert avAnne Marie Helmenstine, Ph.D.