Fermion Definisjon i fysikk

I partikkelfysikk, a fermion er en type partikkel som adlyder reglene i Fermi-Dirac-statistikken, nemlig Pauli-eksklusjonsprinsipp. Disse fermionene har også en kvantespinn med inneholder en halvtallverdi, for eksempel 1/2, -1/2, -3/2, og så videre. (Til sammenligning er det andre typer partikler, kalt bosoner, som har et helt tallspinn, for eksempel 0, 1, -1, -2, 2, etc.)

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

Fermions ble først spådd i 1925 av fysikeren Wolfgang Pauli, som prøvde å finne ut hvordan man kunne forklare atomstrukturen foreslått i 1922 av Niels Bohr. Bohr hadde brukt eksperimentelle bevis for å bygge en atommodell som inneholdt elektronskjell, og skapte stabile baner for at elektroner kunne bevege seg rundt atomkjernen. Selv om dette stemte godt overens med bevisene, var det ingen spesiell grunn til at denne strukturen ville være stabil, og det er forklaringen som Pauli prøvde å nå. Han innså at hvis du tildelte kvantetall (senere navngitt

I 1926 prøvde Enrico Fermi og Paul Dirac uavhengig av å forstå andre aspekter av tilsynelatende motstridende elektronatferd og etablerte på den måten en mer fullstendig statistisk måte å gjøre det på å håndtere elektron. Selv om Fermi utviklet systemet først, var de nær nok og begge gjorde nok arbeid som ettertiden har kalte sin statistiske metode Fermi-Dirac-statistikk, selv om partiklene i seg selv ble oppkalt etter Fermi han selv.

At fermions ikke alle kan kollapse i samme tilstand - igjen, det er den endelige betydningen av Pauli eksklusjonsprinsipp - er veldig viktig. Fergionene i solen (og alle andre stjerner) kollapser sammen under den kraftige tyngdekraften, men de kan ikke fullstendig kollapse på grunn av Pauli-ekskluderingsprinsippet. Som et resultat er det et trykk som genereres som presser mot gravitasjonens sammenbrudd av stjernens materie. Det er dette trykket som genererer solvarmen som ikke bare driver planeten vår, men så mye av energien i resten av vårt univers... inkludert selve dannelsen av tunge elementer, som beskrevet av stjernenukleosyntese.

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

• kvarker - Quarks er partiklene som utgjør hadroner, som protoner og nøytroner. Det er 6 forskjellige typer kvarker:
  • • Opp Quark
  • Sjarm Quark
  • Topp Quark
  • Ned Quark
  • Merkelig Quark
  • Bunn Quark
• leptoner - Det er 6 typer leptoner:
  • • Electron
  • Electron Neutrino
  • myon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

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

Utover de grunnleggende fermionene, kan en annen klasse av fermioner opprettes ved å kombinere fermioner sammen (muligens sammen med bosoner) for å få en resulterende partikkel med et halvt heltallspinn. Kvantespinnene legger opp, så noen grunnleggende matematikk viser at enhver partikkel som inneholder en merkelig antall fermioner kommer til å ende med et halvt heltallspinn og vil derfor være en fermion seg selv. Noen eksempler inkluderer:

• baryoner - Dette er partikler, som protoner og nøytroner, som er sammensatt av tre kvarker som er satt sammen. Siden hver kvark har en halv-hel tallspinn, vil den resulterende baryonen alltid ha en halv-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 rundt den. Siden det er et odde antall fermioner, er den resulterende spinningen en halv-heltallverdi. Dette betyr at helium-3 også er en fermion.

Redigert av Anne Marie Helmenstine, ph.d.