Fizyka: Definicja Fermionu
Dlaczego Fermiony są tak wyjątkowe
Model Standardowy Cząstek Elementarnych. Fermilab
W fizyce cząstek elementarnych fermion jest rodzajem cząstki, która podlega zasadom statystyki Fermi-Diraca, a mianowicie Zasada wykluczenia Pauliego . Te fermiony mają również spin kwantowy with zawiera wartość połówkową, taką jak 1/2, -1/2, -3/2 i tak dalej. (Dla porównania istnieją inne rodzaje cząstek, zwane bozony , które mają spin liczb całkowitych, na przykład 0, 1, -1, -2, 2 itd.)
Co sprawia, że Fermiony są tak wyjątkowe?
Fermiony są czasami nazywane cząstkami materii, ponieważ są to cząstki, które tworzą większość tego, co uważamy za materię fizyczną w naszym świecie, w tym protony, neutrony i elektrony.
Fermiony zostały po raz pierwszy przewidziane w 1925 roku przez fizyka Wolfganga Pauliego, który próbował wymyślić, jak wyjaśnić strukturę atomową zaproponowaną w 1922 roku przez Niels Bohr . Bohr wykorzystał dowody eksperymentalne do zbudowania modelu atomowego, który zawierał powłoki elektronowe, tworząc stabilne orbity dla elektronów poruszających się wokół jądra atomowego. Chociaż zgadzało się to dobrze z dowodami, nie było żadnego konkretnego powodu, dla którego ta struktura miałaby być stabilna i to jest wyjaśnienie, do którego próbował dotrzeć Pauli. Zdał sobie sprawę, że jeśli przypiszesz liczby kwantowe (później nazwane spin kwantowy ) do tych elektronów, wydawało się, że istnieje jakaś zasada, która oznacza, że żadne dwa elektrony nie mogą być w dokładnie tym samym stanie. Ta zasada stała się znana jako Zasada Wykluczenia Pauliego.
W 1926 roku Enrico Fermi i Paul Dirac niezależnie próbowali zrozumieć inne aspekty pozornie sprzecznego zachowania elektronów i w ten sposób opracowali pełniejszy statystyczny sposób radzenia sobie z elektronami. Chociaż Fermi opracował system jako pierwszy, byli wystarczająco blisko i obaj wykonali wystarczająco dużo pracy, aby potomność nazwała ich metodę statystyczną statystyką Fermiego-Diraca, chociaż same cząstki zostały nazwane na cześć samego Fermiego.
Bardzo ważny jest fakt, że fermiony nie mogą wszystkie zapaść się do tego samego stanu – znowu, to jest ostateczne znaczenie zasady wykluczenia Pauliego. Fermiony w Słońcu (i wszystkich innych gwiazdach) zapadają się razem pod wpływem intensywnej siły grawitacji, ale nie mogą całkowicie zapaść się z powodu zasady wykluczenia Pauliego. W rezultacie powstaje ciśnienie, które przeciwstawia się grawitacyjnemu kolapsowi materii gwiazdy. To właśnie to ciśnienie wytwarza ciepło słoneczne, które zasila nie tylko naszą planetę, ale także tak dużą część energii w reszcie naszego wszechświata ... w tym samo tworzenie ciężkich pierwiastków, jak opisuje to gwiezdna nukleosynteza .
Podstawowe Fermiony
Istnieje w sumie 12 podstawowych fermionów - fermionów, które nie składają się z mniejszych cząstek - które zostały eksperymentalnie zidentyfikowane. Dzielą się na dwie kategorie:
- Kwarki - Kwarki to cząstki tworzące hadrony, takie jak protony i neutrony. Istnieje 6 różnych typów kwarków:
-
- Górny kwark
- Charm Quark
- Najlepszy kwark
- kwark dolny
- Dziwny kwark
- Kwark dolny
-
- Leptony - Istnieje 6 rodzajów leptonów:
Oprócz tych cząstek teoria supersymetrii przewiduje, że każdy bozon miałby niewykryty do tej pory odpowiednik fermionowy. Ponieważ istnieje od 4 do 6 podstawowych bozonów, może to sugerować, że jeśli supersymetria jest prawdziwa, istnieją jeszcze 4 do 6 podstawowych fermionów, które nie zostały jeszcze wykryte, prawdopodobnie dlatego, że są bardzo niestabilne i rozpadły się na inne formy.
Fermiony kompozytowe
Poza podstawowymi fermionami, można stworzyć inną klasę fermionów, łącząc ze sobą fermiony (prawdopodobnie razem z bozonami), aby uzyskać cząstkę o spinie połówkowym. Spiny kwantowe sumują się, więc podstawowa matematyka pokazuje, że każda cząstka, która zawiera nieparzystą liczbę fermionów, będzie miała spin połówkowy, a zatem sama będzie fermionem. Oto kilka przykładów:
Edytowany przezdr Anne Marie Helmenstine