Ορισμός Φερμιών στη Φυσική

Στη φυσική των σωματιδίων, α φερμιόν είναι ένας τύπος σωματιδίων που υπακούει στους κανόνες των στατιστικών Fermi-Dirac, δηλαδή του Αρχή αποκλεισμού Pauli. Αυτά τα φερμιόνια έχουν επίσης ένα κβαντική περιστροφή με μια μισή ακέραια τιμή, όπως 1/2, -1/2, -3/2, και ούτω καθεξής. (Συγκριτικά, υπάρχουν και άλλοι τύποι σωματιδίων που ονομάζονται bosons, που έχουν ακέραια περιστροφή, όπως 0, 1, -1, -2, 2, κ.λπ.)

Τα φερμιόνια καλούνται μερικές φορές σωματίδια ύλης, επειδή είναι τα σωματίδια που αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος αυτού που θεωρούμε φυσική ύλη στον κόσμο μας, συμπεριλαμβανομένων των πρωτονίων, των νετρονίων και των ηλεκτρονίων.

Οι φερμιόνες προβλέφθηκαν για πρώτη φορά το 1925 από το φυσικό Wolfgang Pauli, ο οποίος προσπαθούσε να καταλάβει πώς να εξηγήσει την ατομική δομή που προτάθηκε το 1922 από Niels Bohr. Ο Bohr είχε χρησιμοποιήσει πειραματικά στοιχεία για να κατασκευάσει ένα ατομικό μοντέλο που περιείχε κοχύλια ηλεκτρονίων, δημιουργώντας σταθερές τροχιές για τα ηλεκτρόνια να κινούνται γύρω από τον ατομικό πυρήνα. Αν και αυτό ταιριάζει καλά με τα αποδεικτικά στοιχεία, δεν υπήρχε κανένας ιδιαίτερος λόγος για τον οποίο αυτή η δομή θα ήταν σταθερή και αυτή είναι η εξήγηση που ο Pauli προσπαθούσε να φτάσει. Συνειδητοποίησε ότι αν έχετε εκχωρήσει κβαντικούς αριθμούς (που αργότερα ονομάστηκαν

Το 1926, ο Enrico Fermi και ο Paul Dirac προσπάθησαν να κατανοήσουν και άλλες πτυχές του φαινομενικά αντιφατική συμπεριφορά ηλεκτρονίων και, με αυτόν τον τρόπο, καθιέρωσε έναν πληρέστερο στατιστικό τρόπο που ασχολούνται με τα ηλεκτρόνια. Αν και η Fermi ανέπτυξε το σύστημα πρώτα, ήταν αρκετά κοντά και οι δύο έκαναν αρκετή δουλειά που είχε η επόμενη γενιά ονόμασαν τη στατιστική τους μέθοδο Fermi-Dirac, αν και τα ίδια τα σωματίδια ονομάστηκαν μετά τον Fermi τον εαυτό του.

Το γεγονός ότι τα φερμιόνια δεν μπορούν να καταρρεύσουν όλα στην ίδια κατάσταση - και πάλι, αυτή είναι η τελική έννοια της αρχής του αποκλεισμού Pauli - είναι πολύ σημαντική. Τα φερμιόνια μέσα στον ήλιο (και όλα τα άλλα αστέρια) καταρρέουν μαζί κάτω από την έντονη δύναμη της βαρύτητας, αλλά δεν μπορούν να καταρρεύσουν πλήρως λόγω της αρχής του Pauli Exclusion. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει μια παραγόμενη πίεση που ωθεί κατά της βαρυτικής κατάρρευσης της ύλης του αστεριού. Αυτή είναι η πίεση που παράγει την ηλιακή θερμότητα που δεν καίνε μόνο τον πλανήτη μας, αλλά τόσο μεγάλη ενέργεια στην υπόλοιπη σύμπαν μας... συμπεριλαμβανομένου του ίδιου του σχηματισμού βαρέων στοιχείων, όπως περιγράφεται από τον αστρική νουκλεοσύνθεση.

Υπάρχουν συνολικά 12 βασικά φερμιόνια - φερμιόνια που δεν αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια - τα οποία έχουν ταυτοποιηθεί πειραματικά. Κατηγορούνται σε δύο κατηγορίες:

• Quarks - Τα κουάρκ είναι τα σωματίδια που σχηματίζουν αδρόνια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Υπάρχουν 6 διαφορετικοί τύποι κουάρκ:
  • • Up Quark
  • Charm Quark
  • Κορυφή Quark
  • Down Quark
  • Strange Quark
  • Κάτω Κουάρκ
• Leptons - Υπάρχουν 6 τύποι λεπτών:
  • • Ηλεκτρόνιο
  • Ηλεκτρόνιο Neutrino
  • Muon
  • Muon Neutrino
  • Τάου
  • Tau Neutrino

Εκτός από αυτά τα σωματίδια, η θεωρία της υπερσυμμετρίας προβλέπει ότι κάθε μποζόνιο θα έχει ένα τόσο αντίθετα μη ανιχνευμένο αντιστοίχως φερμιονικό. Δεδομένου ότι υπάρχουν 4 έως 6 θεμελιώδη bosons, αυτό θα έλεγε ότι - αν υπάρχει υπερσυμμετρία - υπάρχουν άλλα 4 έως 6 βασικά φερμιόνια που δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί, πιθανώς επειδή είναι εξαιρετικά ασταθή και έχουν αποσυντεθεί σε άλλα μορφές.

Πέρα από τα βασικά φερμιόνια, μπορεί να δημιουργηθεί μια άλλη κλάση φερμιόνων συνδυάζοντας φερμιόνια μαζί (πιθανώς μαζί με τα μποζόνια) για να πάρετε ένα προκύπτον σωματίδιο με ένα μισό ακέραιο γύρισμα. Οι κβαντικές περιστροφές προστίθενται, έτσι κάποια βασικά μαθηματικά δείχνουν ότι οποιοδήποτε σωματίδιο που περιέχει ένα περίεργο ο αριθμός των φερμιόνων πρόκειται να καταλήξει σε ένα μισό ακέραιο γύρισμα και, ως εκ τούτου, θα είναι ένα fermion εαυτό. Μερικά παραδείγματα περιλαμβάνουν:

• Baryons - Αυτά είναι σωματίδια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια, που αποτελούνται από τρία κουάρκ ενωμένα μεταξύ τους. Δεδομένου ότι κάθε κουάρκ έχει περιστροφή με μισό ακέραιο, το προκύπτον βαρυόνιο θα έχει πάντοτε περιστροφή με μισό ακέραιο, ανεξάρτητα από το ποια τρία είδη κουάρκ συνδέονται μαζί για να το σχηματίσουν.
• Χέλιου-3 - Περιέχει 2 πρωτόνια και 1 νετρόνιο στον πυρήνα, μαζί με 2 ηλεκτρόνια που το περιβάλλουν. Εφόσον υπάρχει ένας περίεργος αριθμός φερμιόνων, η προκύπτουσα περιστροφή είναι μια μισή ακέραια τιμή. Αυτό σημαίνει ότι το ήλιο-3 είναι επίσης ένα φερμιόν.

Επεξεργάστηκε από Anne Marie Helmenstine, Ph. D.