Definicija Fermiona iz fizike

U fizici čestica, a fermionskom je vrsta čestica koja poštuje pravila Fermi-Dirakove statistike, naime Načelo isključenja iz Paulija. Ovi fermioni također imaju kvantni spin sa sadrži vrijednost polovine cijelog broja, kao što su 1/2, -1/2, -3/2, i tako dalje. (Za usporedbu, postoje i druge vrste čestica, nazvane bozoni, koji imaju cijeli zavrtanj, poput 0, 1, -1, -2, 2, itd.)

Fermioni se ponekad nazivaju česticama materije, jer su čestice koje čine većinu onoga što u našem svijetu smatramo fizičkom materijom, uključujući protone, neutrone i elektrone.

Fermione je prvi predvidio 1925. fizičar Wolfgang Pauli, koji je pokušavao smisliti kako objasniti atomsku strukturu koju je 1922. predložio Niels Bohr. Bohr je koristio eksperimentalne dokaze za izgradnju atomskog modela koji je sadržavao elektronske ljuske, stvarajući stabilne orbite za kretanje elektrona oko atomskog jezgra. Iako se to dobro podudara s dokazima, nije postojao nikakav poseban razlog zašto bi ta struktura bila stabilna i to je objašnjenje koje je Pauli pokušavao doći. Shvatio je da ako dodijelite kvantne brojeve (kasnije imenovane

1926., Enrico Fermi i Paul Dirac samostalno su pokušali razumjeti druge aspekte naizgled kontradiktorno elektronsko ponašanje i, čineći to, uspostavio je cjelovitiji statistički način baveći se elektronima. Iako je Fermi prvo razvio sustav, bili su dovoljno bliski i obojica su obavili dovoljan broj poslova koji imaju potomci nazvali su svojom statističkom metodom Fermi-Dirac statistikom, iako su i same čestice dobile ime po Fermiju sam.

Činjenica da se fermioni ne mogu sve srušiti u isto stanje - opet, to je krajnji smisao Paulijevog principa isključenja - vrlo je važna. Fermioni unutar sunca (i svih ostalih zvijezda) urušavaju se zajedno pod intenzivnom silom gravitacije, ali ne mogu se u potpunosti raspasti zbog načela isključenosti Paulija. Kao rezultat, nastaje pritisak koji se gura protiv gravitacijskog kolapsa zvijezde materije. Upravo taj pritisak stvara sunčevu toplinu koja ne samo da pokreće naš planet već i toliko energije u ostatku našeg svemira... uključujući samu tvorbu teških elemenata, kako je to opisano u zvjezdana nukleosinteza.

Postoji 12 osnovnih fermiona - fermioni koji nisu sačinjeni od manjih čestica - koji su eksperimentalno identificirani. Podijeljuju se u dvije kategorije:

• kvarkovi - Quarkovi su čestice koje čine hadrone, poput protona i neutrona. Postoji 6 različitih vrsta kvarkova:
  • • Gore Quark
  • Charm Quark
  • Vrhunski kvark
  • Down Quark
  • Čudan kvark
  • Donji kvark
• leptoni - Postoji 6 vrsta leptona:
  • • Elektron
  • Elektron neutrino
  • muon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

Pored ovih čestica, teorija super-simetrije predviđa da bi svaki bozon imao tako daleko neotkriveni fermionski pandan. Budući da postoji 4 do 6 temeljnih razloga, ovo bi sugeriralo da - ako je supersimetrija istinita - postoji još 4 do 6 temeljni fermioni koji još nisu otkriveni, vjerojatno zato što su izrazito nestabilni i propadaju u druge oblici.

Pored osnovnih fermiona, može se stvoriti još jedna klasa fermiona kombiniranjem fermiona zajedno (eventualno zajedno s bozonima) kako bi se dobila rezultirajuća čestica s okretajem od pola cijelog broja. Kvantni spinovi se zbrajaju, pa neka osnovna matematika pokazuje da svaka čestica koja sadrži neparno broj fermiona završit će sa zaokretom od pola broja i, prema tome, bit će fermion sebe. Neki primjeri uključuju:

• bariona - To su čestice, poput protona i neutrona, koje su sastavljene od tri kvarka povezana. Budući da svaki kvark ima polu-cijeli broj okretaja, rezultirajući barion uvijek će imati zavrtanje na pola cijelog broja, bez obzira koje tri vrste kvarka se spajaju zajedno da ga formiraju.
• Helij-3 - Sadrži 2 protona i 1 neutron u jezgru, zajedno s 2 elektrona koji ga okružuju. Budući da postoji neparni broj fermiona, dobiveni spin je vrijednost polovine cijelog broja. To znači da je i helij-3 fermion.

Uredio Anne Marie Helmenstine, dr. Sc.