Fermioni definitsioon füüsikas

Osakeste füüsikas, a fermion on osakeste tüüp, mis järgib Fermi-Diraci statistika reegleid, nimelt Pauli välistamise põhimõte. Nendel fermionidel on ka a kvantketrus koos sisaldab täisarvu väärtust, näiteks 1/2, -1/2, -3/2 ja nii edasi. (Võrdluseks on ka teisi osakesi, nn bosonid, millel on täisarv, näiteks 0, 1, -1, -2, 2 jne.)

Fermioone nimetatakse mõnikord mateeria osakesteks, sest need on osakesed, mis moodustavad suurema osa sellest, mida meie maailmas füüsiliseks aineks arvatakse, sealhulgas prootonid, neutronid ja elektronid.

Fermioone ennustas 1925. aastal esmakordselt füüsik Wolfgang Pauli, kes üritas välja mõelda, kuidas selgitada 1922. aastal välja pakutud aatomi struktuuri. Niels Bohr. Bohr oli kasutanud eksperimentaalseid tõendeid aatomimudeli ehitamiseks, mis sisaldas elektronkehi, luues elektronide jaoks stabiilsed orbiidid aatomituuma ümber liikumiseks. Kuigi see sobis tõenditega hästi kokku, ei olnud konkreetset põhjust, miks see struktuur stabiilne oleks, ja see on seletus, milleni Pauli püüdis jõuda. Ta mõistis, et kui määraksite kvantarvud (hiljem nimega

Aastal 1926 üritasid Enrico Fermi ja Paul Dirac iseseisvalt mõista ka teisi aspekte pealtnäha vastuolulist elektronide käitumist ja seda tehes lõi täieliku statistilise viisi elektronidega tegelemine. Kuigi Fermi arendas süsteemi kõigepealt välja, olid nad piisavalt lähedal ja mõlemad tegid piisavalt tööd, mida järeltulevad on dubleeris nende statistilist meetodit Fermi-Dirac statistikaks, kuigi osakesed ise said oma nime Fermi järgi ise.

See, et kõik fermioonid ei saa kukkuda samasse olekusse - see on jällegi Pauli tõrjutuse põhimõtte lõplik tähendus - on väga oluline. Päikese sees olevad fermioonid (ja kõik muud tähed) varisevad intensiivse gravitatsioonijõu mõjul kokku, kuid Pauli tõrjutuse põhimõtte tõttu ei saa nad täielikult kokku kukkuda. Selle tagajärjel tekib rõhk, mis surub tähe mateeria gravitatsioonilise kokkuvarisemise vastu. See rõhk tekitab päikesesoojuse, mis ei küta mitte ainult meie planeeti, vaid nii palju energiat kogu ülejäänud universumis... sealhulgas ka raskete elementide moodustumine, nagu kirjeldas tähe nukleosüntees.

Eksperimentaalselt on kokku 12 fundamentaalset fermiooni - fermioonid, mis ei koosne väiksematest osakestest. Need jagunevad kahte kategooriasse:

• Kvargid - Kvargid on hadroneid moodustavad osakesed, näiteks prootonid ja neutronid. Seal on 6 erinevat tüüpi kvarke:
  • • Üles Quark
  • Charm Quark
  • Parim kvarkk
  • Alla Quark
  • Kummaline varitsus
  • Altpoolt varju
• Leptonid - Leptone on 6 tüüpi:
  • • Elektron
  • Elektron Neutrino
  • Muon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

Lisaks neile osakestele ennustab supersümmeetria teooria, et igal bosonil oleks seni avastamata fermioonne vaste. Kuna fundamentaalseid bosone on 4–6, võib see arvata, et kui supersümmeetria on tõene, on veel 4–6 fundamentaalseid fermioone, mida pole veel avastatud, arvatavasti seetõttu, et nad on väga ebastabiilsed ja lagunenud teisteks vormid.

Lisaks põhilistele fermioonidele võib Fermioonide ühendamise teel (võimaluse korral koos bosonitega) luua veel ühe fermioonide klassi, et saada tulemuseks olev osake täisarvuga spinniga. Kvantrullid liidavad, nii et mõned matemaatika põhialused näitavad, et iga osake, mis sisaldab paarituid Mitu fermioni lõpeb poole täisarvuga spinniga ja on seega fermion ise. Mõned näited hõlmavad järgmist:

• Baryonid - Need on osakesed, nagu prootonid ja neutronid, mis koosnevad kolmest omavahel ühendatud kvarkist. Kuna igal kvarkil on poole täisarvuga spinn, on tulemuseks oleval baroonil alati pool-täisarv spinni, olenemata sellest, millised kolm kvarki tüüpi liituvad selle moodustamiseks.
• Heelium-3 - Sisaldab tuumas 2 prootonit ja 1 neutronit ning seda ümbritsevat 2 elektroni. Kuna fermione on paaritu arv, on saadud spinn väärtuseks pool täisarv. See tähendab, et ka heelium-3 on fermioon.

Toimetanud Anne Marie Helmenstine, Ph.