Kas yra fermionas? Apibrėžimas, savybės ir pavyzdžiai

Sužinokite, kas yra fermionas: aiškus apibrėžimas, pagrindinės savybės, Paulio draudimas, fermionų tipai ir pavyzdžiai (elektronas, kvarkai, leptonai).

Fermionas yra elementariųjų dalelių kategorija, kuri apima daugelį materiją sudarančių dalelių. Fermionai pasižymi tuo, kad turi pusinį (pusinį ar kitokį nelyginį) sukinį (pvz., 1/2, 3/2, 5/2 ir t. t.), todėl jiems taikoma Paulio pašalinimo principas. Dėl to jokie du fermionai negali dalintis ta pačia kvantine būsena (kai visi jų kvantiniai skaičiai, pavyzdžiui, sukinys, yra vienodi). Šį terminą Paulas Diracas sukūrė Enrico Fermi garbei.

Pagrindinės savybės

Fermionų bruožai, svarbūs suprasti:

• Half-integer sukinys: fermionų sukinys yra pusiniai skaičiai (1/2, 3/2 ir kt.), tai atskiria juos nuo bozonų, kurių sukinys yra sveikasis skaičius.
• Paulio pašalinimo principas: dėl šio principo fermionai negali vienu metu užimti tos pačios kvantinės būsenos. Tai lemia atomų elektroninių sluoksnių struktūrą ir chemines medžiagų savybes.
• Fermi–Diraco statistika: fermionų populiacijos aprašymui taikoma Fermio ir Dirako statistika, kuri skiriasi nuo Bose–Einstein statistikos bosonams.
• Spin–statistikos ryšys: kvantinės lauko teorijos rezultatas, kuris susieja pusinį sukiniu su fermiono statistika (Pauli principu).

Pavyzdžiai ir tipai

Gerai žinomi fermionai yra elektronas, protonas ir neutronas (pastarieji yra sudėtinės dalelės, sudaryti iš kvarkų). Elektronas yra įkrauta dalelė ir turi sukinį 1/2. Priešingai, pavyzdžiui, fotonas (elektromagnetinės spinduliuotės dalelė) yra bozonas ir gali egzistuoti daug vienu metu vienoje kvantinėje būsenoje.

Fundamentalūs fermionai

Fundamentalieji fermionai (tokios dalelės, kurių negalima suskaidyti į mažesnes daleles) priklauso dviem grupėms: kvarkams ir leptonams. Yra šeši kvarkų ir šeši leptonų tipai. Įprastinis jų sąrašas (lietuviškai):

• Kvarkai – aukštyn, žemyn, žavus (charm), keistas (strange), viršutinis (top), apatinis (bottom)
• Leptonai – elektronas, miuonas, tau, elektroninis neutrinas, miuoninis neutrinas, tau neutrinas

Kiekvienas iš šių fermionų turi savo antidalelę, todėl iš viso fundamentaliųjų fermionų yra 24 (12 dalelių + 12 antidalelių). Antidalelė paprastai turi tą pačią masę kaip dalelė, bet priešingą elektros krūvį (kai tas krūvis yra ne nulis). Pavyzdžiui:

• „Aukštyn“, „žavus“ ir „viršutinis“ kvarkai turi krūvį +2/3; jų antidalelės – -2/3.
• „Žemyn“, „keistas“ ir „apatinis“ kvarkai turi krūvį -1/3; jų antidalelės – +1/3.
• Elektronas, miuonas ir tau turi krūvį -1; jų antidalelės (pvz., pozitronas) turi +1.
• Neutrinai ir antineutrinai yra elektriškai neutralūs (krūvis 0).

Pagrindinis skirtumas tarp dalelių tuo pačiu krūviu yra jų masė ir sąveikos savybės.

Sudėtinės ir kitos fermionų formos

Ne visi fermionai yra fundamentalūs. Kai kurios fermionų rūšys yra sudėtinės dalelės, pavyzdžiui, baryonai (protonas, neutronas), kurie susidaro iš trijų kvarkų ir turi pusinį sukinį, todėl taip pat yra fermionai. Kita vertus, mezonai (kvarko–antikvarko poros) paprastai yra bozonai.

Fermionų reikšmė fizikoje

Fermionai lemia daug kasdienių ir astronominių reiškinių:

• Atominė struktūra ir chemija: Paulio principas nulemia elektronų užpildymo tvarką atomuose ir taip — periodinę elementų lentelę bei chemines savybes.
• Medžiagų elektroninės savybės: elektronai kaip fermionai sudaro Fermi jūrą metaluose ir lemia laidžius/izoliatorius/semlaidžius elgesį.
• Degeneracinis slėgis: milžiniški objektai, kaip baltieji nykštukai ir neutroninės žvaigždės, palaikomi Fermio degeneracijos slėgio, kuris kyla dėl Paulio principo ir neleidžia fermionams užimti tų pačių būsenų.

Supersimetrinis atitikmuo

Teorijose su supersimetrija kiekvienas fermionas turi bosoninį superpartnerį, dažnai vadinamą sfermionu (sfermion). Supersimetrijos modeliuose fermionų partneriai būtų pavyzdžiui „sleptonai“ leptonams arba „squarkai“ kvarkams, tačiau šie nauji dalelių tipai dar nėra patvirtinti eksperimentais.

Santrauka: fermionai yra pusinio sukino dalelės, kurioms taikomas Paulio pašalinimo principas ir Fermi–Diraco statistika. Jie sudaro materiją ir yra kertinė dalis tiek atominio lygmens struktūrose, tiek didelės astronominės reikšmės reiškiniuose.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra fermionas?

K: Kas juos pavadino fermionais?

K: Ar elektronas yra fermionas?

K: Ar du fermionai gali turėti tą pačią kvantinę būseną?

K: Kiek yra skirtingų fundamentaliųjų fermionų?

K: Kuo skiriasi vienodo krūvio kvarkai ir leptonai?

Paieška pagal raidę