Fermion Definition in der Physik

In der Teilchenphysik a Fermion ist eine Art von Teilchen, die den Regeln der Fermi-Dirac-Statistik folgt, nämlich die Pauli-Ausschlussprinzip. Diese Fermionen haben auch eine 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 genannt werden Bosonen, die einen ganzzahligen Spin haben, wie 0, 1, -1, -2, 2 usw.)

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

Fermionen wurden erstmals 1925 vom Physiker Wolfgang Pauli vorhergesagt, der versuchte herauszufinden, wie man die 1922 von Niels Bohr. Bohr hatte experimentelle Beweise verwendet, um ein Atommodell zu erstellen, das Elektronenschalen enthielt und stabile Bahnen für Elektronen erzeugte, die sich um den Atomkern bewegen konnten. Obwohl dies gut mit den Beweisen übereinstimmte, gab es keinen besonderen Grund, warum diese Struktur stabil sein würde, und das ist die Erklärung, die Pauli zu erreichen versuchte. Er erkannte, dass, wenn Sie Quantenzahlen zugewiesen (später benannt)

1926 versuchten Enrico Fermi und Paul Dirac unabhängig voneinander, andere Aspekte von zu verstehen scheinbar widersprüchliches Elektronenverhalten und etablierte damit einen vollständigeren statistischen Weg von Umgang mit Elektronen. Obwohl Fermi das System zuerst entwickelte, waren sie nah genug und beide haben genug Arbeit geleistet, die die Nachwelt hat nannten ihre statistische Methode Fermi-Dirac-Statistik, obwohl die Partikel selbst nach Fermi benannt wurden selbst.

Die Tatsache, dass Fermionen nicht alle in den gleichen Zustand zusammenbrechen können - das ist wiederum die ultimative Bedeutung des Pauli-Ausschlussprinzips - ist sehr wichtig. Die Fermionen in der Sonne (und alle anderen Sterne) kollabieren unter der starken Schwerkraft zusammen, können jedoch aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips nicht vollständig kollabieren. Infolgedessen wird ein Druck erzeugt, der gegen den Gravitationskollaps der Materie des Sterns drückt. Es ist dieser Druck, der die Sonnenwärme erzeugt, die nicht nur unseren Planeten, sondern auch so viel Energie im Rest unseres Universums antreibt... einschließlich der Bildung schwerer Elemente, wie von beschrieben Sternnukleosynthese.

Es wurden insgesamt 12 fundamentale Fermionen - Fermionen, die nicht aus kleineren Partikeln bestehen - experimentell identifiziert. 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:
  • • Up Quark
  • Charm Quark
  • Top Quark
  • Quark runter
  • Seltsamer Quark
  • Bottom Quark
• Leptonen - Es gibt 6 Arten von Leptonen:
  • • Elektron
  • Elektron Neutrino
  • Myon
  • Myon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

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 Supersymmetrie wahr ist - weitere 4 bis 6 gibt fundamentale Fermionen, die noch nicht entdeckt wurden, vermutlich weil sie sehr instabil sind und in andere zerfallen sind Formen.

Über die fundamentalen Fermionen hinaus kann eine andere Klasse von Fermionen erzeugt werden, indem Fermionen (möglicherweise zusammen mit Bosonen) kombiniert werden, um ein resultierendes Teilchen mit einem halb ganzzahligen Spin zu erhalten. Die Quantenspins addieren sich, so dass einige grundlegende Mathematik zeigt, dass jedes Teilchen, das eine ungerade enthält Die Anzahl der Fermionen wird mit einer halbzahligen Drehung enden und wird daher eine Fermion sein selbst. Einige Beispiele sind:

• Baryonen - Dies sind Teilchen wie Protonen und Neutronen, die aus drei miteinander verbundenen Quarks bestehen. Da jeder Quark einen halb-ganzzahligen Spin hat, hat der resultierende Baryon immer einen halb-ganzzahligen Spin, unabhängig davon, welche drei Quark-Typen sich zu ihm verbinden.
• Helium-3 - Enthält 2 Protonen und 1 Neutron im Kern sowie 2 Elektronen, die ihn umkreisen. Da es eine ungerade Anzahl von Fermionen gibt, ist der resultierende Spin ein halber ganzzahliger Wert. Dies bedeutet, dass Helium-3 ebenfalls eine Fermion ist.

Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.