Fyzika: Fermion Definícia
Prečo sú fermióny také špeciálne
Štandardný model elementárnych častíc. Fermilab
V časticovej fyzike a fermion je typ častice, ktorý sa riadi pravidlami Fermi-Diracovej štatistiky, menovite Pauliho princíp vylúčenia . Tieto fermióny majú tiež a kvantová rotácia s obsahuje polovičnú hodnotu celého čísla, napríklad 1/2, -1/2, -3/2 atď. (Na porovnanie, existujú aj iné typy častíc, tzv bozóny , ktoré majú rotáciu celého čísla, napríklad 0, 1, -1, -2, 2 atď.)
Čím sú fermiony také výnimočné
Fermióny sa niekedy nazývajú častice hmoty, pretože sú to častice, ktoré tvoria väčšinu toho, čo v našom svete považujeme za fyzickú hmotu, vrátane protónov, neutrónov a elektrónov.
Fermióny prvýkrát predpovedal v roku 1925 fyzik Wolfgang Pauli, ktorý sa snažil prísť na to, ako vysvetliť atómovú štruktúru navrhnutú v roku 1922 Niels Bohr . Bohr použil experimentálne dôkazy na vytvorenie modelu atómu, ktorý obsahoval elektrónové obaly, čím sa vytvorili stabilné dráhy pre pohyb elektrónov okolo atómového jadra. Hoci to dobre zodpovedalo dôkazom, neexistoval žiadny konkrétny dôvod, prečo by táto štruktúra bola stabilná, a to je vysvetlenie, ktoré sa Pauli snažil dosiahnuť. Uvedomil si, že ak priradíte kvantové čísla (neskôr pomenované kvantová rotácia ) k týmto elektrónom, potom sa zdalo, že existuje nejaký princíp, ktorý znamená, že žiadne dva z elektrónov nemôžu byť v presne rovnakom stave. Toto pravidlo sa stalo známym ako Pauliho princíp vylúčenia.
V roku 1926 sa Enrico Fermi a Paul Dirac nezávisle pokúsili porozumieť iným aspektom zdanlivo protichodného správania elektrónov a tým vytvorili úplnejší štatistický spôsob zaobchádzania s elektrónmi. Hoci Fermi vyvinul systém ako prvý, boli dosť blízko a obaja urobili dosť práce na to, aby potomkovia nazvali svoju štatistickú metódu Fermi-Dirac štatistika, hoci samotné častice boli pomenované po samotnom Fermim.
Skutočnosť, že fermióny sa nemôžu všetky zrútiť do rovnakého stavu – opäť, to je konečný význam Pauliho princípu vylúčenia – je veľmi dôležitá. Fermióny v Slnku (a všetky ostatné hviezdy) spolu kolabujú pod intenzívnou silou gravitácie, ale nemôžu sa úplne zrútiť kvôli Pauliho princípu vylúčenia. V dôsledku toho vzniká tlak, ktorý tlačí proti gravitačnému kolapsu hmoty hviezdy. Je to tento tlak, ktorý generuje slnečné teplo, ktoré poháňa nielen našu planétu, ale aj veľkú časť energie vo zvyšku nášho vesmíru... vrátane samotnej tvorby ťažkých prvkov, ako je opísané napr. hviezdna nukleosyntéza .
Základné fermióny
Experimentálne bolo identifikovaných celkom 12 základných fermiónov – fermiónov, ktoré nie sú tvorené menšími časticami. Rozdeľujú sa do dvoch kategórií:
- Kvarky - Kvarky sú častice, ktoré tvoria hadróny, ako sú protóny a neutróny. Existuje 6 rôznych typov kvarkov:
-
- Up Quark
- Charm Quark
- Top Quark
- Down Quark
- Divný Quark
- Spodný kvark
-
- Leptóny - Existuje 6 typov leptónov:
Okrem týchto častíc teória supersymetrie predpovedá, že každý bozón bude mať zatiaľ nezistený fermiónový náprotivok. Pretože existuje 4 až 6 základných bozónov, naznačuje to, že ak je supersymetria pravdivá, existuje ďalších 4 až 6 základných fermiónov, ktoré ešte neboli detekované, pravdepodobne preto, že sú vysoko nestabilné a rozpadli sa na iné formy.
Kompozitné fermióny
Okrem základných fermiónov je možné vytvoriť ďalšiu triedu fermiónov spojením fermiónov (možno spolu s bozónmi), aby sa získala výsledná častica s polovičným celočíselným spinom. Kvantové rotácie sa sčítavajú, takže niektoré základné matematiky ukazujú, že každá častica, ktorá obsahuje nepárny počet fermiónov, skončí s rotáciou polovičného čísla, a preto bude sama fermiónom. Niektoré príklady:
UpravilAnne Marie Helmenstine, Ph.D.