Physik: Fermion-Definition

Warum Fermionen so besonders sind

Das Standardmodell der Elementarteilchen. Fermilab

In der Teilchenphysik a Fermion ist eine Art von Teilchen, die den Regeln der Fermi-Dirac-Statistik gehorcht, nämlich die Pauli-Ausschlussprinzip . Diese Fermionen haben auch a Quantenspin with enthält einen halben ganzzahligen Wert, z. B. 1/2, -1/2, -3/2 usw. (Im Vergleich dazu gibt es andere Arten von Partikeln, die so genannten Bosonen , die einen ganzzahligen Spin haben, wie 0, 1, -1, -2, 2 usw.)

Was Fermionen so besonders macht

Fermionen werden manchmal Materieteilchen genannt, weil sie die Teilchen sind, die den größten Teil dessen ausmachen, was wir in unserer Welt als physische Materie betrachten, einschließlich Protonen, Neutronen und Elektronen.

Fermionen wurden erstmals 1925 von dem Physiker Wolfgang Pauli vorhergesagt, der herauszufinden versuchte, wie sich die 1922 vorgeschlagene Atomstruktur erklären ließe Nils Bohr . Bohr hatte experimentelle Beweise verwendet, um ein Atommodell zu bauen, das Elektronenhüllen enthielt und stabile Umlaufbahnen für Elektronen schuf, um sich um den Atomkern zu bewegen. Obwohl dies gut mit den Beweisen übereinstimmte, gab es keinen besonderen Grund, warum diese Struktur stabil sein sollte, und das war die Erklärung, die Pauli zu erreichen versuchte. Er erkannte, dass, wenn man Quantenzahlen (später benannt Quantenspin ) zu diesen Elektronen, dann schien es eine Art Prinzip zu geben, das bedeutete, dass keine zwei der Elektronen in genau demselben Zustand sein konnten. Diese Regel wurde als Pauli-Ausschlussprinzip bekannt.

1926 versuchten Enrico Fermi und Paul Dirac unabhängig voneinander, andere Aspekte des scheinbar widersprüchlichen Elektronenverhaltens zu verstehen, und etablierten dabei eine vollständigere statistische Methode zum Umgang mit Elektronen. Obwohl Fermi das System zuerst entwickelt hat, waren sie sich nahe genug und beide haben genug Arbeit geleistet, dass die Nachwelt ihre statistische Methode Fermi-Dirac-Statistik genannt hat, obwohl die Teilchen selbst nach Fermi selbst benannt wurden.

Die Tatsache, dass Fermionen nicht alle in den gleichen Zustand kollabieren können – das ist wiederum die ultimative Bedeutung des Pauli-Ausschlussprinzips – ist sehr wichtig. Die Fermionen in der Sonne (und allen anderen Sternen) kollabieren zusammen unter der starken Schwerkraft, aber sie können aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips nicht vollständig kollabieren. Dadurch entsteht ein Druck, der dem Gravitationskollaps der Materie des Sterns entgegenwirkt. Es ist dieser Druck, der die Sonnenwärme erzeugt, die nicht nur unseren Planeten antreibt, sondern einen Großteil der Energie im Rest unseres Universums ... einschließlich der Bildung schwerer Elemente, wie von beschrieben stellare Nukleosynthese .

Fundamentale Fermionen

Es gibt insgesamt 12 fundamentale Fermionen – Fermionen, die nicht aus kleineren Teilchen bestehen – die experimentell identifiziert wurden. Sie fallen in zwei Kategorien:

• Quarks - Quarks sind die Teilchen, aus denen Hadronen bestehen, wie Protonen und Neutronen. Es gibt 6 verschiedene Arten von Quarks:
  • • Auf Quark
  • Charme-Quark
  • Top-Quark
  • Runter Quark
  • Seltsamer Quark
  • Unterer Quark
• Leptonen - Es gibt 6 Arten von Leptonen:
  • • Elektron
  • Elektron Neutrino
  • Myon
  • Myon Neutrino
  • Ja
  • Neutrinozahl

Zusätzlich zu diesen Teilchen sagt die Theorie der Supersymmetrie voraus, dass jedes Boson ein bisher unentdecktes fermionisches Gegenstück haben würde. Da es 4 bis 6 fundamentale Bosonen gibt, würde dies darauf hindeuten, dass es – wenn die Supersymmetrie wahr ist – weitere 4 bis 6 fundamentale Fermionen gibt, die noch nicht entdeckt wurden, vermutlich weil sie sehr instabil sind und in andere Formen zerfallen sind.

Zusammengesetzte Fermionen

Neben den grundlegenden Fermionen kann eine weitere Klasse von Fermionen erzeugt werden, indem Fermionen (möglicherweise zusammen mit Bosonen) kombiniert werden, um ein resultierendes Teilchen mit einem halbzahligen Spin zu erhalten. Die Quantenspins addieren sich, also zeigt einige grundlegende Mathematik, dass jedes Teilchen, das eine ungerade Anzahl von Fermionen enthält, am Ende einen halbzahligen Spin hat und daher selbst ein Fermion ist. Einige Beispiele sind:

Baryonen- Dies sind Teilchen, wie Protonen und Neutronen, die aus drei miteinander verbundenen Quarks bestehen. Da jedes Quark einen halbzahligen Spin hat, wird das resultierende Baryon immer einen halbzahligen Spin haben, egal welche drei Quarksorten sich zu ihm zusammenschließen.Helium-3- Enthält 2 Protonen und 1 Neutron im Kern, zusammen mit 2 Elektronen, die ihn umkreisen. Da es eine ungerade Anzahl von Fermionen gibt, ist der resultierende Spin ein halbzahliger Wert. Helium-3 ist also auch ein Fermion.

Bearbeitet vonAnne Marie Helmenstine, Ph.D.