Physik-Fermion-Definition

In der Teilchenphysik ist a Fermion ist ein Partikeltyp, der den Regeln der Fermi-Dirac-Statistik folgt, nämlich dem Pauli-Ausschlussprinzip. Diese Fermionen haben auch eine Quantenspin with enthält einen halben ganzzahligen Wert, z. B. 1/2, -1/2, -3/2 usw. (Zum Vergleich gibt es andere Arten von Partikeln, genannt Bosonen, die einen ganzzahligen Spin haben, z. B. 0, 1, -1, -2, 2 usw.)

Was macht Fermionen so besonders?

Fermionen werden manchmal Materieteilchen genannt, weil sie die Teilchen sind, die den größten Teil der von uns als physikalische Materie in unserer Welt betrachteten Materie ausmachen, einschließlich Protonen, Neutronen und Elektronen.

Fermionen wurden erstmals 1925 vom Physiker Wolfgang Pauli vorhergesagt, der herausfinden wollte, wie die 1922 von Niels Bohr vorgeschlagene Atomstruktur zu erklären ist. Bohr hatte experimentelle Beweise herangezogen, um ein Atommodell zu bauen, das Elektronenschalen enthielt und stabile Bahnen für Elektronen erzeugte, die sich um den Atomkern bewegten. 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 erreichen wollte. Er erkannte, dass, wenn Sie Quantenzahlen zugewiesen (später benannt) Quantenspin) Für diese Elektronen schien es dann ein Prinzip zu geben, das bedeutete, dass sich keine zwei Elektronen in genau demselben Zustand befinden konnten. Diese Regel wurde als Pauli-Ausschlussprinzip bekannt.

Enrico Fermi und Paul Dirac versuchten 1926 unabhängig voneinander, andere Aspekte des scheinbar widersprüchlichen Elektronenverhaltens zu verstehen, und etablierten damit eine vollständigere statistische Methode für den Umgang mit Elektronen. Obwohl Fermi das System zuerst entwickelte, waren sie nah genug dran und beide leisteten genug Arbeit, um die statistische Methode der Fermi-Dirac-Statistik der Nachwelt zu benennen, obwohl die Partikel selbst nach Fermi benannt wurden.

Die Tatsache, dass nicht alle Fermionen in den gleichen Zustand fallen können - das ist 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 aber aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips nicht vollständig kollabieren. Infolgedessen wird ein Druck erzeugt, der gegen den Gravitationskollaps der Sternmaterie drückt. Es ist dieser Druck, der die Sonnenwärme erzeugt, die nicht nur unseren Planeten, sondern auch einen Großteil der Energie im Rest unseres Universums antreibt.

Grundlegende Fermionen

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

• Quarks - Quarks sind die Teilchen, aus denen Hadronen wie Protonen und Neutronen bestehen. Es gibt 6 verschiedene Arten von Quarks:
  • • Up Quark
  • Charm Quark
  • Spitzenquark
  • Quark runter
  • Seltsamer Quark
  • Bottom Quark
• Leptonen - Es gibt 6 Arten von Leptonen:
  • • Elektron
  • Elektronenneutrino
  • Muon
  • Muon 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 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

Über die fundamentalen Fermionen hinaus kann eine weitere Klasse von Fermionen erzeugt werden, indem Fermionen (möglicherweise zusammen mit Bosonen) kombiniert werden, um ein Teilchen mit einem halben ganzzahligen Spin zu erhalten. Die Quantenspins addieren sich, so dass einige grundlegende mathematische Berechnungen zeigen, dass jedes Teilchen, das eine ungerade Anzahl von Fermionen enthält, einen halben ganzzahligen Spin hat und daher selbst eine Fermion sein wird. Einige Beispiele sind:

• Baryonen - Dies sind Teilchen wie Protonen und Neutronen, die aus drei miteinander verbundenen Quarks bestehen. Da jedes Quark einen halben ganzzahligen Spin hat, hat das resultierende Baryon immer einen halben ganzzahligen Spin, unabhängig davon, welche drei Arten von Quarks sich zu einem Quark zusammenschließen.
• 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 auch eine Fermion ist.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..