În fizica particulelor, a fermion este un tip de particule care se supune regulilor statisticilor Fermi-Dirac, și anume Principiul excluderii lui Pauli. Aceste fermioni au și un spin cuantic cu conține o valoare pe jumătate întreagă, cum ar fi 1/2, -1/2, -3/2, etc. (Prin comparație, există alte tipuri de particule, numite bosoni, care au un spin întreg, cum ar fi 0, 1, -1, -2, 2 etc.)
Ce face Fermionii atât de speciali
Fermionii sunt uneori numite particule de materie, deoarece sunt particulele care constituie cea mai mare parte a ceea ce considerăm materie fizică în lumea noastră, inclusiv protoni, neutroni și electroni.
Fermions-urile au fost prezise pentru prima dată în 1925 de fizicianul Wolfgang Pauli, care încerca să-și dea seama cum să explice structura atomică propusă în 1922 de Niels Bohr. Bohr folosise dovezi experimentale pentru a construi un model atomic care conținea coji de electroni, creând orbite stabile pentru ca electronii să se deplaseze în jurul nucleului atomic. Deși acest lucru se potrivește bine cu dovezile, nu a existat niciun motiv special pentru care această structură să fie stabilă și aceasta este explicația la care Pauli încerca să ajungă. Și-a dat seama că dacă ai atribuit numere cuantice (numit ulterior
spin cuantic) la acești electroni, atunci părea să existe un fel de principiu care să însemne că niciunul dintre doi electroni nu putea fi exact în aceeași stare. Această regulă a devenit cunoscută sub numele de Principiul de excludere Pauli.În 1926, Enrico Fermi și Paul Dirac au încercat în mod independent să înțeleagă alte aspecte comportamentul aparent de contradictoriu al electronilor și, făcând acest lucru, a stabilit un mod statistic mai complet care se ocupă de electroni. Deși Fermi a dezvoltat sistemul mai întâi, au fost suficient de apropiați și amândoi au făcut suficient de multă muncă pe care posteritatea o are au numit metoda lor statistică Fermi-Dirac statistici, deși particulele în sine au fost numite după Fermi se.
Faptul că fermionii nu se pot prăbuși cu toții în aceeași stare - din nou, acesta este sensul final al Principiului de excludere de la Pauli - este foarte important. Fermioanele din soare (și toate celelalte stele) se prăbușesc împreună sub forța intensă a gravitației, dar nu se pot prăbuși complet din cauza Principiului de excludere de la Pauli. Drept urmare, există o presiune generată care împinge împotriva colapsului gravitațional al materiei stelei. Această presiune este cea care generează căldura solară care alimentează nu numai planeta noastră, ci o mare parte din energia din restul universului nostru... inclusiv chiar formarea elementelor grele, așa cum este descris de nucleozinteză stelară.
Fermions fundamentale
Există un total de 12 fermioane fundamentale - fermioane care nu sunt formate din particule mai mici - care au fost identificate experimental. Se încadrează în două categorii:
-
Quarcurile - Quark-urile sunt particulele care alcătuiesc hadronii, cum ar fi protonii și neutronii. Există 6 tipuri distincte de quark:
- Sus Quark
- Charm Quark
- Top Quark
- Jos Quark
- Ciudat Quark
- Quark de jos
-
leptoni - Există 6 tipuri de leptoni:
- electron
- electron neutrino
- muon
- Muon Neutrino
- Tau
- Tau Neutrino
În plus față de aceste particule, teoria supersimetriei prevede că fiecare boson ar avea o contrapartidă fermionică până acum nedetectată. Deoarece există 4-6 bosoni fundamentali, acest lucru ar sugera că - dacă supersimetria este adevărată - există încă 4 până la 6 fermionuri fundamentale care nu au fost încă detectate, probabil pentru că sunt foarte instabile și s-au descompus în altele formulare.
Fermions compozite
Dincolo de fermioanele fundamentale, o altă clasă de fermioni poate fi creată prin combinarea fermionilor împreună (eventual împreună cu bosonii) pentru a obține o particulă rezultantă cu un spin rotund pe jumătate. Învârtirile cuantice se adaugă, astfel încât unele matematice de bază arată că orice particulă care conține un impar un număr de fermioni va sfârși cu o rotire cu jumătate întreagă și, prin urmare, va fi un fermion în sine. Câteva exemple includ:
- barioni - Acestea sunt particule, precum protonii și neutronii, care sunt compuse din trei quarkuri unite între ele. Deoarece fiecare quark are un spin jumătate întreg, barionul rezultat va avea întotdeauna un spin jumătate întreg, indiferent de trei tipuri de quark care se unesc pentru a-l forma.
- Heliu-3 - Conține 2 protoni și 1 neutron în nucleu, împreună cu 2 electroni care îl înconjoară. Deoarece există un număr impar de fermioni, spinul rezultat este o valoare pe jumătate întreagă. Aceasta înseamnă că heliul-3 este și un fermion.
Editat de Anne Marie Helmenstine, Ph. D.