Natuurkunde Fermion Definitie

In de deeltjesfysica, een fermion is een soort deeltje dat voldoet aan de regels van de Fermi-Dirac-statistieken, namelijk het Pauli-uitsluitingsprincipe. Deze fermionen hebben ook een quantum spin met bevat een half-geheel getal, zoals 1/2, -1/2, -3/2, enzovoort. (Ter vergelijking, er zijn andere soorten deeltjes, genaamd bosonen, die een geheel getal spin hebben, zoals 0, 1, -1, -2, 2, etc.)

Wat Fermions zo speciaal maakt

Fermionen worden soms materiedeeltjes genoemd, omdat het de deeltjes zijn die het grootste deel uitmaken van wat we in onze wereld als fysieke materie beschouwen, inclusief protonen, neutronen en elektronen.

Fermions werden voor het eerst voorspeld in 1925 door de natuurkundige Wolfgang Pauli, die probeerde te achterhalen hoe de atoomstructuur kon worden uitgelegd die in 1922 werd voorgesteld door Niels Bohr. Bohr had experimenteel bewijs gebruikt om een ​​atoommodel te bouwen dat elektronenschillen bevatte, waardoor stabiele banen voor elektronen werden gecreëerd om rond de atoomkern te bewegen. Hoewel dit goed overeenkwam met het bewijsmateriaal, was er geen specifieke reden waarom deze structuur stabiel zou zijn en dat is de verklaring die Pauli probeerde te bereiken. Hij realiseerde zich dat als je kwantumnummers (later genoemd) toekent quantum spin) voor deze elektronen, leek er een soort principe te zijn dat betekende dat geen twee van de elektronen in exact dezelfde staat konden zijn. Deze regel werd bekend als het Pauli-uitsluitingsprincipe.

In 1926 probeerden Enrico Fermi en Paul Dirac onafhankelijk andere aspecten van schijnbaar tegenstrijdig elektronengedrag te begrijpen en legden daarmee een vollediger statistische manier van omgaan met elektronen vast. Hoewel Fermi eerst het systeem ontwikkelde, waren ze dichtbij genoeg en deden beide genoeg werk dat het nageslacht hun statistische methode Fermi-Dirac-statistieken heeft genoemd, hoewel de deeltjes zelf naar Fermi zijn vernoemd.

Het feit dat fermions niet allemaal in dezelfde staat kunnen instorten - nogmaals, dat is de ultieme betekenis van het Pauli-uitsluitingsprincipe - is erg belangrijk. De fermionen in de zon (en alle andere sterren) vallen samen in elkaar onder de intense zwaartekracht, maar ze kunnen niet volledig instorten vanwege het Pauli-uitsluitingsprincipe. Als gevolg hiervan wordt er een druk gegenereerd die tegen de zwaartekrachtinstorting van de materie van de ster duwt. Het is deze druk die de zonnewarmte genereert die niet alleen onze planeet maar ook zoveel energie in de rest van ons universum voedt ... inclusief de vorming van zware elementen, zoals beschreven door stellaire nucleosynthese.

Fundamentele Fermions

Er zijn in totaal 12 fundamentele fermionen - fermionen die niet uit kleinere deeltjes bestaan ​​- die experimenteel zijn geïdentificeerd. Ze vallen in twee categorieën:

• quarks - Quarks zijn de deeltjes waaruit hadrons bestaan, zoals protonen en neutronen. Er zijn 6 verschillende soorten quarks:
  • • Quark
  • Bedel Quark
  • Top Quark
  • Down Quark
  • Vreemde Quark
  • Onderste Quark
• leptonen - Er zijn 6 soorten leptonen:
  • • elektron
  • Electron Neutrino
  • muon
  • Muon Neutrino
  • tau
  • Tau Neutrino

Naast deze deeltjes voorspelt de theorie van supersymmetrie dat elk boson een tot nu toe niet-gedetecteerde fermionische tegenhanger zou hebben. Omdat er 4 tot 6 fundamentele bosonen zijn, zou dit suggereren dat - als supersymmetrie waar is - er nog 4 tot 6 fundamentele fermionen zijn die nog niet zijn gedetecteerd, vermoedelijk omdat ze zeer onstabiel zijn en in andere vormen zijn vervallen.

Samengestelde Fermions

Voorbij de fundamentele fermionen, kan een andere klasse fermionen worden gecreëerd door fermionen samen te combineren (mogelijk samen met bosonen) om een ​​resulterend deeltje te krijgen met een half-geheel getal spin. De kwantumspins kloppen, dus sommige elementaire wiskunde laat zien dat elk deeltje dat een oneven aantal fermionen bevat, zal eindigen met een half-geheel getal spin en daarom een ​​fermion zelf zal zijn. Enkele voorbeelden zijn:

• baryonen - Dit zijn deeltjes, zoals protonen en neutronen, die zijn samengesteld uit drie quarks met elkaar verbonden. Omdat elke quark een spin met een half geheel getal heeft, zal de resulterende baryon altijd een spin met een half geheel getal hebben, ongeacht welke drie soorten quark samenkomen om het te vormen.
• Helium-3 - Bevat 2 protonen en 1 neutron in de kern, samen met 2 elektronen die het omcirkelen. Omdat er een oneven aantal fermionen is, is de resulterende spin een waarde met een half geheel getal. Dit betekent dat helium-3 ook een fermion is.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.