Fermion

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 15. huhtikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 2 muokkausta .

Fermion

Yhdiste	voi olla sekä perushiukkanen että yhdistelmähiukkanen (mukaan lukien kvasihiukkanen )
Luokitus	perusfermioneille: kvarkit ja leptonit . Alkuainehiukkasille : leptonit ja baryonit
Osallistuu vuorovaikutukseen	Gravitaatio [1] (yhteinen kaikille)
Kenen tai minkä mukaan on nimetty	Enrico Fermi
kvanttiluvut
Pyöritä	Puolikas kokonaisluku [2] ħ
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa

Fermion on hiukkanen tai kvasihiukkanen , jonka spin -arvo on puolikokonaisluku (eli yhtä suuri kuin , jossa on kokonaisluku ja pelkistetty Planck-vakio [2] ). Kaikki hiukkaset voidaan jakaa kahteen ryhmään niiden spinin arvon mukaan: kokonaislukuspin omaavat hiukkaset ovat bosoneja , puolikokonaisluvuilla ne ovat fermioneja. $(n+1/2)\hbar$ $n$ $\hbar$

Esimerkkejä fermioneista: kvarkit (ne muodostavat protoneja ja neutroneja , jotka ovat myös fermioneja), leptonit ( elektronit , myonit , tau-leptonit , neutriinot ) , aukot ( puolijohteen kvasihiukkaset ) [3] . Fermionit ovat myös kvanttimekaanisia järjestelmiä, jotka koostuvat parittomasta määrästä fermioneja (ja mielivaltaisesta määrästä bosoneja).

Fermionit noudattavat Paulin periaatetta ; identtisten fermionien järjestelmän aaltofunktio muuttaa etumerkkiä, kun mitkä tahansa kaksi hiukkasta vaihdetaan. Tällaisen järjestelmän termodynaamisesti tasapainotilaa kuvaavat Fermi-Diracin tilastot [4] , mikä on syy niiden nimelle [5] . Nimen fermion otti käyttöön englantilainen teoreettinen fyysikko Paul Dirac italialaisen fyysikon Enrico Fermin sukunimestä ; Dirac käytti ensimmäistä kertaa termejä "bosoni" ja "fermion" luennossa "Atomiteorian kehitys", jonka hän luki tiistaina 6. joulukuuta 1945 Pariisin tiedemuseossa " Löytöjen palatsi " [6 ] .

Fermionien ominaisuudet

Fermionit, toisin kuin bosonit , noudattavat Fermi-Diracin tilastoja : yhdessä kvanttitilassa voi olla vain yksi hiukkanen ( Pauli-periaate ).

Paulin poissulkemisperiaate on vastuussa atomien elektronikuorten stabiilisuudesta , mikä mahdollistaa monimutkaisten kemiallisten alkuaineiden olemassaolon. Se mahdollistaa myös rappeutuneen aineen olemassaolon korkeissa paineissa ( neutronitähdet ).

Identtisten fermionien järjestelmän aaltofunktio on antisymmetrinen minkä tahansa kahden fermionin permutaatioon nähden.

Parittomasta määrästä fermioneja koostuva kvanttijärjestelmä on itse fermion. Esimerkiksi ydin , jolla on pariton massaluku A (koska nukleonit - protonit ja neutronit - ovat fermioneja ja massaluku on yhtä suuri kuin ytimen nukleonien kokonaismäärä); atomi tai ioni, jolla on pariton summa elektronien lukumäärästä ja ytimen massaluvusta (koska elektronit ovat myös fermioneja ja fermionien kokonaismäärä atomissa/ionissa on yhtä suuri kuin nukleonien lukumäärän summa ydin ja elektronien lukumäärä elektronikuoressa). Samaan aikaan kvanttijärjestelmän muodostavien hiukkasten ratakulmamomentit eivät vaikuta sen luokitteluun fermioniksi tai bosoniksi, koska kaikki kiertoratamomentit ovat kokonaislukuja, eikä niiden lisääminen mihinkään yhdistelmään järjestelmän spiniin voi kääntyä. parittoman määrän fermionien puolen kokonaisluvun kokonaisspin kokonaislukuksi . Parillisesta määrästä fermioneja koostuva järjestelmä on bosoni: sen kokonaisspin on aina kokonaisluku. Joten helium-3- atomi , joka koostuu kahdesta protonista, neutronista ja kahdesta elektronista (yhteensä viisi fermionia), on fermion ja litium-7- atomi (kolme protonia, neljä neutronia, kolme elektronia) on bosoni. Neutraaleilla atomeilla elektronien lukumäärä on sama kuin protonien lukumäärä, eli elektronien ja protonien lukumäärän summa on aina parillinen, joten itse asiassa neutraalin atomin luokittelu bosoniksi/fermioniksi määräytyy sen ytimessä olevien neutronien parillinen/pariton määrä.

Fundamental fermions

Kaikilla tällä hetkellä tunnetuilla peruspartikkeleilla olevilla fermioneilla (eli kvarkeilla ja leptoneilla ) on spin 1/2, kun taas yhdistefermioneilla ( baryonit , atomiytimet, atomit jne. kvanttijärjestelmät) voi olla spin 1/2, 3/2, 5/2 , jne.

Matemaattisesti spin 1/2 fermioneja voi olla kolmenlaisia:

Weyl fermionit (massattomat),
Dirac fermionit (massiiviset) ja
Majorana fermionit (yhdessä niiden antihiukkasten kanssa).

Useimpien standardimallien fermionejen uskotaan olevan Dirac-fermioneja, vaikka tällä hetkellä ei tiedetä, ovatko neutriinot Dirac- vai Majorana-fermioneja (tai molempia). Dirac-fermioneja voidaan pitää superpositiona[ selventää ] kaksi Weyl-fermionia [7] . Heinäkuussa 2015 Weyl-fermionit toteutettiin kokeellisesti kvasihiukkasina Weyl - semimetalleissa .

Standardimallin mukaan alkeisfermioneja on 12 lajia ( makuja ): kuusi kvarkkia ja kuusi leptonia [2] .

Kvarkeilla on värivaraus ja ne osallistuvat vahvaan vuorovaikutukseen. Niiden antihiukkasia kutsutaan antikvarkeiksi. Kvarkeja on kuusi makua (2 jokaisessa sukupolvessa):

	Raakin/antikvarkin nimi/maku	Kvarkin/antikvarkin symboli	Massa ( MeV )	Raakin/antikvarkin nimi/maku	Kvarkin/antikvarkin symboli	Massa ( MeV )
Sukupolvi	Kvarkit varauksella (+2/3) e			Kvarkit varauksella (−1/3) e
yksi	u-kvarkki (ylös-kvarkki) / anti-u-kvarkki	$u/\,{\overline {u}}$	1,5-3	d-kvarkki (down-quark) / anti-d-kvarkki	$d/\,{\overline {d}}$	4,79±0,07
2	c-kvarkki (charm-quark) / anti-c-kvarkki	$c/\,{\overline {c}}$	1250±90	s-kvarkki (outo kvarkki) / anti-s-kvarkki	$s/\,{\overline {s}}$	95±25
3	t-kvarkki (top-kvarkki) / anti-t-kvarkki	$t/\,{\overline {t))$	174 340 ± 790 [8]	b-kvarkki (pohjakvarkki) / anti-b-kvarkki	$b/\,{\overline {b}}$	4200±70

Kaikilla kvarkeilla on myös sähkövaraus , joka on 1/3 :n kerrannainen alkuainevarauksesta . Jokaisessa sukupolvessa yhden kvarkin sähkövaraus on +2/3 (nämä ovat u-, c- ja t-kvarkit) ja yhdellä -1/3 (d-, s- ja b-kvarkit); Antikvarkeilla on päinvastaiset lataukset. Vahvan ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen lisäksi kvarkit osallistuvat heikkoon vuorovaikutukseen.

Leptonit eivät osallistu vahvaan vuorovaikutukseen. Niiden antihiukkaset ovat antileptoneja ( elektronin antihiukkasta kutsutaan positroniksi historiallisista syistä). Makuleptonia on kuusi :

	Nimi	Symboli	Sähkövaraus ( e )	Massa ( MeV )	Nimi	Symboli	Sähkövaraus ( e )	Massa ( MeV ) [9]
Sukupolvi	Varautunut leptoni / antihiukkanen				Neutrino / antineutrino
yksi	Elektroni / Positron	$e^{-}\,/\,e^{+}$	−1 / +1	0,511	Elektronineutrino / Elektroniantineutrino	$\nu _{e}\,/\,{\overline {\nu }}_{e}$	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

Neutriinomassat eivät ole nollan kanssa (tämän vahvistaa neutriinovärähtelyjen olemassaolo ), mutta ne ovat niin pieniä, ettei niitä ole vielä mitattu suoraan vuoteen 2022 mennessä.

Kvasihiukkaset

Kvasihiukkasilla on myös spin, joten ne voidaan luokitella fermioneiksi ja bosoneiksi. Esimerkkejä fermionin kvasihiukkasista ovat polaroni ja reikä sekä elektroni (jota pidetään kvasihiukkasena, koska sen tehollinen massa kiinteässä kappaleessa eroaa sen massasta tyhjiössä).

Muistiinpanot

↑ Hämmästyttävä maailma atomiytimen sisällä. Kysymyksiä luennon jälkeen Arkistoitu 15. heinäkuuta 2015 the Wayback Machine , FIAN, 11. syyskuuta 2007
↑ 1 2 3 Perushiukkaset ja vuorovaikutukset . Haettu 9. tammikuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 9. toukokuuta 2017. (määrätön)
↑ Einsteinin teorian takana - supersymmetria ja supergravitaatio . Haettu 9. tammikuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 12. huhtikuuta 2009. (määrätön)
↑ Zubarev D. N. Fermi - Diracin tilastot // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboskooppiset laitteet - Kirkkaus. - S. 283-284. — 692 s. - 20 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-101-7 .
↑ IX luku, § 61. Identtisten hiukkasten erottamattomuuden periaate. Julkaisussa: Landau L. D. , Lifshitz E. M. Kvanttimekaniikka (ei-relativistinen teoria). - Painos 4. - M .: Nauka , 1989. - S. 273-276. — 768 s. - (" Teoreettinen fysiikka ", osa III). - ISBN 5-02-014421-5 .
↑ Muistiinpanoja Diracin luennolle Developments in Atomic Theory Le Palais de la Découvertessa, 6. joulukuuta 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. Katso myös alaviite 64 sivulla. 331 Arkistoitu 15. huhtikuuta 2022 Wayback Machinessa , Farmelo G. The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom.
↑ Morii T., Lim CS, Mukherjee SN The Physics of the Standard Model and Beyond . - World Scientific , 2004. - ISBN 978-981-279-560-1 .
↑ Boos E. E., Brandt O., Denisov D., Denisov S. P., Grannis P. Top kvarkki (löydön 20-vuotispäivänä) // Uspekhi fizicheskikh nauk . - 2015. - T. 185 . - S. 1241-1269 . - doi : 10.3367/UFNr.0185.201512a.1241 . Arkistoitu alkuperäisestä 20. joulukuuta 2016. (Venäjän kieli)
↑ Laboratoriomittaukset ja neutriinien ominaisuuksien rajoitukset . Haettu 25. syyskuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 21. helmikuuta 2012.

Linkit

Fermion // Fysikaalinen tietosanakirja : [5 osana] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1999. - V. 5: Stroboskooppiset laitteet - Kirkkaus. - S. 284. - 692 s. - 20 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-101-7 .

Sanakirjat ja tietosanakirjat

Bibliografisissa luetteloissa
BNE : XX534885 BNF : 11976538t GND : 4121256-3 J9U : 987007529000905171 LCCN : sh85047833 SUDOC : 027801136

Hiukkaset fysiikassa

perushiukkasia
_

Fermions

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

Bosonit

Arvioida	γ g W ± •Z 0
Skalaari	Higgsin bosoni

Komposiittihiukkaset
_

hadronit

Baryonit ( hyperonit )	Nukleonit s s n n Δ Λ Σ Ξ Ω Pentakvarkit
Mesonit ( Quarkonia )	π η • η′ s ω φ J/ψ ϒ θ K B D T Tetrakvarkit

Perus- ja (tai) yhdistehiukkasten yhdisteet

Tavallinen	Atomiytimet deuteron Triton Helion α atomeja ioneja Kationit Anionit molekyylejä
Epätavallinen	Hypernukleusfysiikassa : Λ -hyperytimet Hypervety Hypertriton Σ -hyperytimet Eksoottiset atomit : Mesoatomit Muonic Muoninen vety Hadronic pioni Kaonic Antiprotoni Σ -hyperoninen Leptonin atomit positronium Muonium Dimuonium protonium Pioni mesomolekuli Dipositronium