A részecskefizikában a fermion egy olyan típusú részecske, amely betartja a Fermi-Dirac statisztikák szabályait, nevezetesen a Pauli kizárási elv. Ezeknek a fermionoknak a kvantum centrifugálás a with egy fél egész számot tartalmaz, például 1/2, -1/2, -3/2 és így tovább. (Összehasonlításképpen, vannak más típusú részecskék, úgynevezett bozonok, amelynek egész spinje van, például 0, 1, -1, -2, 2 stb.)
Mi teszi a Fermionokat olyan különlegessé
A fermionokat néha anyagrészecskéknek hívják, mert ők azok a részecskék, amelyek képezik a legtöbbet, amit világunk fizikai anyagának gondolunk, beleértve a protonokat, a neutronokat és az elektronokat.
A fermionokat először 1925-ben jósolta Wolfgang Pauli fizikus, aki megpróbálta kitalálni, hogyan magyarázhatja meg az 1922-ben az 1922-ben javasolt atomi szerkezetet. Niels Bohr. Bohr kísérleti bizonyítékokat használt egy atommodell felépítéséhez, amely elektronhéjakat tartalmazott, és stabil pályákat hozott létre az elektronok számára az atommag körül mozogni. Noha ez jól illeszkedett a bizonyítékokhoz, nem volt különös ok, hogy ez a struktúra stabil maradjon, és ezt magyarázza Pauli. Rájött, hogy ha kvantumszámokat rendelne (később megnevezték
kvantum centrifugálás) ezekre az elektronokra, akkor úgy tűnt, létezik valamiféle elv, amely azt jelentette, hogy az elektronok közül kettő nem lehet pontosan azonos állapotban. Ezt a szabályt Pauli kizárási elvnek hívták.1926-ban Enrico Fermi és Paul Dirac egymástól függetlenül megpróbálták megérteni látszólag ellentmondásos elektron viselkedést, és ezzel egy teljesebb statisztikai módszert alakított ki elektronokkal foglalkozik. Noha Fermi először fejlesztette ki a rendszert, elég közel voltak egymáshoz, és mindkettő eleget tett annak az utókornak a statisztikai módszer Fermi-Dirac statisztikáinak nevezték őket, bár maguk a részecskék voltak a Fermi nevében önmaga.
Nagyon fontos az a tény, hogy a fermionok nem eshetnek egybe ugyanazon állapotba - ismét a Pauli kizárási elv végső jelentése. A napon belüli fermionok (és az összes többi csillag) összeomlik az intenzív gravitációs erő hatására, de a Pauli kizárási elv miatt nem képesek teljesen összeomlani. Ennek eredményeként nyomás keletkezik, amely a csillag anyagának gravitációs összeomlása ellen hat. Ez a nyomás generálja a napenergiát, amely nemcsak bolygónkat, hanem az egész univerzum többi részének energiáját is üzemanyagként használja... ideértve a nehéz elemek kialakulását is, amint azt a csillagok nukleoszintézise.
Alapvető fermionok
Összesen 12 alapvető fermion van - olyan fermionok, amelyek nem kisebb részecskékből állnak -, amelyeket kísérletileg azonosítottak. Két kategóriába sorolhatók:
-
kvarkok - A kvarkok azok a részecskék, amelyek hadronokat alkotnak, például protonok és neutronok. 6 különböző típusú kvark létezik:
- Fel Quark
- Charm Quark
- Felső kvarc
- Le Quark
- Furcsa kvarc
- Alsó kvarc
-
leptonok - 6 típusú lepton létezik:
- Elektron
- Elektron Neutrino
- müon
- Muon Neutrino
- Tau
- Tau Neutrino
Ezen részecskék mellett a szuperszimmetria elmélete azt jósolja, hogy minden bozonnak egy eddig nem észlelt fermionos párja lenne. Mivel 4–6 alapvető bozon létezik, ez azt sugallja, hogy - ha a szuperszimmetria igaz - akkor van még 4–6 alapvető fermionok, amelyeket még nem fedeztek fel, feltehetően azért, mert nagyon instabilok, és másokra bomlanak formákat.
Kompozit fermionok
Az alapvető fermionokon kívül a fermionok egy másik osztálya létrehozható úgy, hogy a fermionokat egyesítik (esetleg bozonokkal együtt), hogy a kapott részecskét fél egész számú spinnel nyerjék. A kvantumpörgetések összeadódnak, tehát néhány alapvető matematika azt mutatja, hogy minden olyan részecske, amely páratlan számos fermion fél egész számú centrifugálással ér véget, tehát fermion lesz maga. Néhány példa:
- barionok - Ezek olyan részecskék, mint a protonok és a neutronok, amelyek három egymáshoz kapcsolódó kvarkból állnak. Mivel minden kvarknak van egy egész egész spinje, az eredményül kapott baryonnak mindig lesz egy egész egész spinje, függetlenül attól, hogy melyik kvark három típusa kapcsolódik össze.
- Hélium-3 - 2 protont és 1 neutronot tartalmaz a sejtmagban, és 2 elektronát körözte. Mivel páratlan számú fermion létezik, a kapott centrifugálás félérték egész szám. Ez azt jelenti, hogy a hélium-3 szintén fermion.
Szerkesztette Anne Marie Helmenstine, Ph. D.