Fermion

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 15 april 2022; kontroller kräver 2 redigeringar .

Fermion

Förening	kan vara både en fundamental partikel och en sammansatt partikel (inklusive en kvasipartikel )
Klassificering	för grundläggande fermioner: kvarkar och leptoner . För elementarpartiklar : leptoner och baryoner
Deltar i interaktioner	Gravitation [1] (gemensamt för alla)
Vem eller vad är uppkallad efter	Enrico Fermi
kvanttal
Snurra	Halvt heltal [2] ħ
Mediafiler på Wikimedia Commons

En fermion är en partikel eller kvasipartikel med ett halvt heltals spin -värde (det vill säga lika med , där är ett heltal och är den reducerade Planck-konstanten [2] ). Alla partiklar kan delas in i två grupper, beroende på värdet av deras spin: partiklar med ett heltalsspinn är bosoner , med ett halvt heltal är de fermioner. $(n+1/2)\hbar$ $n$ $\hbar$

Exempel på fermioner: kvarkar (de bildar protoner och neutroner , som också är fermioner), leptoner ( elektroner , muoner , tauleptoner , neutriner ), hål ( kvasipartiklar i en halvledare ) [3] . Fermioner är också kvantmekaniska system som består av ett udda antal fermioner (och ett godtyckligt antal bosoner).

Fermioner lyder Pauli-principen ; vågfunktionen hos ett system av identiska fermioner ändrar tecken när två valfria partiklar byts ut. Det termodynamiskt jämviktstillståndet för ett sådant system beskrivs av Fermi-Dirac-statistik [4] , vilket är anledningen till deras namn [5] . Namnet fermion introducerades av den engelske teoretiske fysikern Paul Dirac , från efternamnet på den italienske fysikern Enrico Fermi ; för första gången användes termerna "boson" och "fermion" av Dirac i föreläsningen "Utveckling av atomteorin", läst av honom tisdagen den 6 december 1945 i det parisiska vetenskapliga museet " Upptäcktspalatset " [6 ] .

Egenskaper för fermioner

Fermioner, till skillnad från bosoner , lyder Fermi-Dirac-statistiken : inte mer än en partikel kan vara i ett kvanttillstånd ( Pauli-principen ).

Pauli-uteslutningsprincipen är ansvarig för stabiliteten hos atomernas elektronskal , vilket gör förekomsten av komplexa kemiska element möjlig. Det tillåter också att degenererad materia existerar under höga tryck ( neutronstjärnor ).

Vågfunktionen hos ett system av identiska fermioner är antisymmetrisk med avseende på permutationen av två valfria fermioner.

Ett kvantsystem som består av ett udda antal fermioner är i sig en fermion. Till exempel, en kärna med ett udda massnummer A (eftersom nukleoner - protoner och neutroner - är fermioner, och masstalet är lika med det totala antalet nukleoner i kärnan); en atom eller jon med en udda summa av antalet elektroner och kärnans massatal (eftersom elektroner också är fermioner, och det totala antalet fermioner i en atom/jon är lika med summan av antalet nukleoner i kärna och antalet elektroner i elektronskalet). Samtidigt påverkar det orbitala vinkelmomentet för partiklarna som utgör kvantsystemet inte dess klassificering som en fermion eller boson, eftersom alla omloppsmoment är heltal, och att lägga till dem i valfri kombination till systemets spinn kan inte vända det totala halvheltalsspinnet av ett udda antal fermioner till ett heltal . Ett system som består av ett jämnt antal fermioner är en boson: dess totala spin är alltid heltal. Så en helium-3- atom , bestående av två protoner, en neutron och två elektroner (totalt fem fermioner) är en fermion, och en litium-7- atom (tre protoner, fyra neutroner, tre elektroner) är en boson. För neutrala atomer sammanfaller antalet elektroner med antalet protoner, det vill säga summan av antalet elektroner och protoner är alltid jämn, därför bestäms faktiskt klassificeringen av en neutral atom som en boson/fermion av det jämna/udda antalet neutroner i dess kärna.

Fundamentala fermioner

Alla för närvarande kända fermioner som är fundamentala partiklar (d.v.s. kvarkar och leptoner ) har spin 1/2, medan sammansatta fermioner ( baryoner , atomkärnor, atomer, etc. kvantsystem) kan ha spin 1/2, 3/2, 5/2 , etc.

Matematiskt kan spin 1/2 fermioner vara av tre typer:

Weyl fermioner (massalösa),
Dirac fermioner (massiva) och
Majorana fermioner (sammanfaller med deras antipartikel).

De flesta standardmodellfermioner tros vara Dirac-fermioner, även om det för närvarande är okänt om neutrinos är Dirac- eller Majorana-fermioner (eller båda). Dirac-fermioner kan ses som en superposition[ förtydliga ] två Weyl-fermioner [7] . I juli 2015 realiserades Weyl-fermioner experimentellt som kvasipartiklar i Weyl-halvmetaller .

Enligt standardmodellen finns det 12 sorter ( smaker ) av elementära fermioner: sex kvarkar och sex leptoner [2] .

Quarks har en färgladdning och deltar i den starka interaktionen. Deras antipartiklar kallas antikvarkar. Det finns sex smaker av kvarkar (2 i varje generation):

	Namn/smak av kvarg/antikvark	Quark/antikvark symbol	Massa ( MeV )	Namn/smak av kvarg/antikvark	Quark/antikvark symbol	Massa ( MeV )
Generation	Quarks med laddning (+2/3) e			Quarks med laddning (−1/3) e
ett	u-kvark (upp-kvark) / anti-u-kvark	$u/\,{\overline {u}}$	från 1,5 till 3	d-quark (down-quark) / anti-d-quark	$d/\,{\overline {d}}$	4,79±0,07
2	c-quark (charm-quark) / anti-c-quark	$c/\,{\overline {c}}$	1250±90	s-kvark (märklig kvarg) / anti-s-kvark	$s/\,{\overline {s}}$	95±25
3	t-quark (toppkvark) / anti-t-quark	$t/\,{\överlinje {t))$	174 340 ± 790 [8]	b-kvark (bottenkvark) / anti-b-kvark	$b/\,{\overline {b}}$	4200±70

Alla kvarkar har också en elektrisk laddning som är en multipel av 1/3 av den elementära laddningen . I varje generation har en kvark en elektrisk laddning på +2/3 (dessa är u-, c- och t-kvarkar) och en har en laddning på -1/3 (d-, s- och b-kvarkar); Antikvarker har motsatta laddningar. Förutom de starka och elektromagnetiska interaktionerna deltar kvarkar i den svaga interaktionen.

Leptoner deltar inte i den starka interaktionen. Deras antipartiklar är antileptoner ( elektronens antipartikel kallas positron av historiska skäl). Det finns sex leptoner med smak :

	namn	Symbol	Elektrisk laddning ( e )	Massa ( MeV )	namn	Symbol	Elektrisk laddning ( e )	Massa ( MeV ) [9]
Generation	Laddad lepton / antipartikel				Neutrino / antineutrino
ett	Elektron / Positron	$e^{-}\,/\,e^{+}$	−1 / +1	0,511	Electron neutrino / Electron antineutrino	$\nu _{e}\,/\,{\overline {\nu }}_{e}$	0	< 0,0000022
2	Muon	$\mu ^{-}\,/\,\mu ^{+}$	−1 / +1	105,66	Muon neutrino / Muon antineutrino	$\nu _{\mu }\,/\,{\overline {\nu }}_{\mu }$	0	< 0,17
3	Tau lepton	$\tau ^{-}\,/\,\tau ^{+}$	−1 / +1	1776,99	Tau neutrino / tau antineutrino	$\nu _{\tau }\,/\,{\overline {\nu}}_{\tau }$	0	< 15,5

Neutrinomassorna är inte lika med noll (detta bekräftas av förekomsten av neutrinoscillationer ), men är så små att de ännu inte har uppmätts direkt 2022.

Kvasipartiklar

Kvasipartiklar bär också spinn och kan därför klassificeras som fermioner och bosoner. Exempel på fermion kvasipartiklar är polaronen och hålet samt elektronen (betraktas som en kvasipartikel eftersom dess effektiva massa i en fast kropp skiljer sig från dess massa i vakuum).

Anteckningar

↑ Den fantastiska världen inuti atomkärnan. Frågor efter föreläsningen Arkiverad 15 juli 2015 på Wayback Machine , FIAN, 11 september 2007
↑ 1 2 3 Fundamentala partiklar och interaktioner . Hämtad 9 januari 2010. Arkiverad från originalet 9 maj 2017. (obestämd)
↑ Bortom Einsteins teori - supersymmetri och supergravitation . Hämtad 9 januari 2010. Arkiverad från originalet 12 april 2009. (obestämd)
↑ Zubarev D. N. Fermi - Dirac statistik // Physical Encyclopedia : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboskopiska enheter - Ljusstyrka. - S. 283-284. — 692 sid. — 20 000 exemplar. — ISBN 5-85270-101-7 .
↑ Kapitel IX, § 61. Principen om att identiska partiklar inte kan särskiljas. I: Landau L. D. , Lifshitz E. M. Kvantmekanik (icke-relativistisk teori). — Upplaga 4. - M .: Nauka , 1989. - S. 273-276. — 768 sid. - (" Teoretisk fysik ", volym III). - ISBN 5-02-014421-5 .
↑ Anteckningar om Diracs föreläsning Developments in Atomic Theory vid Le Palais de la Découverte, 6 december 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. Se även not 64 på sid. 331 Arkiverad 15 april 2022 på Wayback Machine i Farmelo G. The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom.
↑ Morii T., Lim CS, Mukherjee SN Fysiken för standardmodellen och bortom . - World Scientific , 2004. - ISBN 978-981-279-560-1 .
↑ Boos E. E., Brandt O., Denisov D., Denisov S. P., Grannis P. Toppkvark (på 20-årsdagen av upptäckten) // Uspekhi fizicheskikh nauk . - 2015. - T. 185 . - S. 1241-1269 . - doi : 10.3367/UFNr.0185.201512a.1241 . Arkiverad från originalet den 20 december 2016. (ryska)
↑ Laboratoriemätningar och begränsningar av egenskaperna hos neutriner . Hämtad 25 september 2009. Arkiverad från originalet 21 februari 2012.

Länkar

Fermion // Fysisk uppslagsverk : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboskopiska enheter - Ljusstyrka. - S. 284. - 692 sid. — 20 000 exemplar. — ISBN 5-85270-101-7 .

Ordböcker och uppslagsverk

I bibliografiska kataloger
BNE : XX534885 BNF : 11976538t GND : 4121256-3 J9U : 987007529000905171 LCCN : sh85047833 SUDOC : 027801136

Partiklar i fysiken

grundläggande
partiklar

Fermioner

Quarks	u d s c b t
leptoner	e- _ e + μ − • μ + τ − • τ + Neutrino ν e • ν e ν μ • ν μ ν τ • ν τ

Bosoner

Mätare	γ g W ± •Z 0
Skalär	Higgs boson

Kompositpartiklar
_

hadroner

Baryoner ( Hyperoner )	Nukleoner sid sid n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentaquarks
Mesons ( Quarkonia )	π η • η′ sid ω φ J/ψ ϒ θ K B D T Tetraquarks

Föreningar av fundamentala och (eller) sammansatta partiklar

Vanlig	Atomkärnor deuteron Triton Helion α atomer joner Katjoner anjoner molekyler
Ovanlig	I hypernucleus fysik : Λ -hypernuclei Hyperväte Hypertriton Σ -hypernuclei Exotiska atomer : Mesoatomer Muonic Muoniskt väte Hadronic pion Kaonic Antiproton Σ -hyperonisk Leptonatomer positronium Muonium Dimuonium protonium Pion mesomolecule Dipositronium