Fermion

Fermion  je částice nebo kvazičástice s poloviční celočíselnou spinovou hodnotou (tj. rovna , kde  je celé číslo a  je redukovaná Planckova konstanta [2] ). Všechny částice lze rozdělit do dvou skupin podle hodnoty jejich spinu: částice s celočíselným spinem jsou bosony , s polovičním číslem jsou fermiony.

Příklady fermionů: kvarky (tvoří protony a neutrony , což jsou také fermiony), leptony ( elektrony , miony , tau leptony , neutrina ), díry ( kvazičástice v polovodiči ) [3] . Fermiony jsou také kvantově mechanické systémy sestávající z lichého počtu fermionů (a libovolného počtu bosonů).

Fermionové se řídí Pauliho principem ; vlnová funkce systému identických fermionů mění znaménko při záměně jakýchkoli dvou částic. Termodynamicky rovnovážný stav takového systému popisuje Fermi-Diracova statistika [4] , z čehož vychází jejich název [5] . Název fermion zavedl anglický teoretický fyzik Paul Dirac , z příjmení italského fyzika Enrica Fermiho ; poprvé termíny "boson" a "fermion" použil Dirac v přednášce "Vývoj atomové teorie", kterou přečetl v úterý 6. prosince 1945 v pařížském vědeckém muzeu " Palác objevů " [6 ] .

Vlastnosti fermionů

Fermiony, na rozdíl od bosonů , se řídí Fermi-Diracovými statistikami : v jednom kvantovém stavu nemůže být více než jedna částice ( Pauliho princip ).

Pauliho vylučovací princip je zodpovědný za stabilitu elektronových obalů atomů , což umožňuje existenci složitých chemických prvků. Umožňuje také existenci degenerované hmoty pod vysokým tlakem ( neutronové hvězdy ).

Vlnová funkce systému identických fermionů je antisymetrická vzhledem k permutaci libovolných dvou fermionů.

Kvantový systém skládající se z lichého počtu fermionů je sám o sobě fermion. Například jádro s lichým hmotnostním číslem A (protože nukleony  - protony a neutrony - jsou fermiony a hmotnostní číslo se rovná celkovému počtu nukleonů v jádře); atom nebo iont s lichým součtem počtu elektronů a hmotnostního čísla jádra (protože elektrony jsou také fermiony a celkový počet fermionů v atomu/iontu se rovná součtu počtu nukleonů v jádro a počet elektronů v elektronovém obalu). Zároveň orbitální moment hybnosti částic, které tvoří kvantový systém, neovlivňuje jeho klasifikaci jako fermion nebo boson, protože všechny orbitální momenty jsou celá čísla a jejich přidání v jakékoli kombinaci ke spinu systému se nemůže otočit. celkový polo-celočíselný spin lichého počtu fermionů na celé číslo . Systém sestávající ze sudého počtu fermionů je boson: jeho celkový spin je vždy celé číslo. Atom helia-3 sestávající ze dvou protonů, neutronu a dvou elektronů (celkem pět fermionů) je tedy fermion a atom lithia-7 (tři protony, čtyři neutrony, tři elektrony) je boson. U neutrálních atomů se počet elektronů shoduje s počtem protonů, to znamená, že součet počtu elektronů a protonů je vždy sudý, proto je ve skutečnosti klasifikace neutrálního atomu jako boson/fermion určena sudý/lichý počet neutronů v jeho jádře.

Základní fermiony

Všechny v současnosti známé fermiony, které jsou fundamentálními částicemi (tj. kvarky a leptony ), mají spin 1/2, zatímco složené fermiony ( baryony , atomová jádra, atomy atd. kvantové systémy) mohou mít spin 1/2, 3/2, 5/2. , atd.

Matematicky mohou být spin 1/2 fermiony tří typů:

• Weyl fermiony (bezhmotové),
• Diracovy fermiony (masivní) a
• Majorana fermiony (shodné s jejich antičásticí).

Předpokládá se, že většina fermionů Standardního modelu jsou Diracovy fermiony, i když v současnosti není známo, zda jsou neutrina Diracovými nebo Majoranskými fermiony (nebo oběma). Diracovy fermiony lze považovat za superpozici[ upřesnit ] dva Weylovy fermiony [7] . V červenci 2015 byly Weylovy fermiony experimentálně realizovány jako kvazičástice ve Weylových semimetalech .

Podle Standardního modelu existuje 12 druhů ( příchutí ) elementárních fermionů: šest kvarků a šest leptonů [2] .

• Kvarky mají barevný náboj a účastní se silné interakce. Jejich antičástice se nazývají antikvarky. Existuje šest příchutí kvarků (2 v každé generaci):

Generace		Kvarky s nábojem (+2/3) e				kvarky s nábojem (−1/3) e
		Název/příchuť kvarku/antikvark	Symbol kvarku/antikvark	hmotnost ( MeV )		Název/příchuť kvarku/antikvark	Symbol kvarku/antikvark	hmotnost ( MeV )
jeden		u-kvark (up-kvark) / anti-u-kvark		od 1,5 do 3		d-quark (down-quark) / anti-d-quark		4,79 ± 0,07
2		c-quark (charm-quark) / anti-c-quark		1250±90		s-kvark (podivný kvark) / anti-s-kvark		95±25
3		t-kvark (top-kvark) / anti-t-kvark		174 340 ± 790 [8]		b-kvark (bottom-quark) / anti-b-quark		4200±70

Všechny kvarky mají také elektrický náboj , který je násobkem 1/3 elementárního náboje . V každé generaci má jeden kvark elektrický náboj +2/3 (jedná se o u-, c- a t-kvarky) a jeden má náboj −1/3 (d-, s- a b-kvarky); Antikvarky mají opačné náboje. Kromě silných a elektromagnetických interakcí se kvarky účastní i slabé interakce.

• Leptony se neúčastní silné interakce. Jejich antičásticemi jsou antileptony (antičástice elektronu se z historických důvodů nazývá pozitron ). Existuje šest chuťových leptonů :

Generace		Nabitý lepton / antičástice					Neutrino / antineutrino
		název	Symbol	elektrický náboj ( e )	hmotnost ( MeV )		název	Symbol	elektrický náboj ( e )	Hmotnost ( MeV ) [9]
jeden		Elektron / Pozitron		−1 / +1	0,511		Elektronové neutrino / Elektronové antineutrino		0	< 0,0000022
2		Muon		−1 / +1	105,66		Mionové neutrino / mionové antineutrino		0	< 0,17
3		Tau lepton		−1 / +1	1776,99		Tau neutrino / tau antineutrino		0	< 15.5

Hmotnosti neutrin se nerovnají nule (to potvrzuje existence oscilací neutrin ), ale jsou tak malé, že do roku 2022 ještě nebyly přímo změřeny.

Kvazičástice

Kvazičástice také nesou spin a lze je proto klasifikovat jako fermiony a bosony. Příklady fermionových kvazičástic jsou polaron a díra , stejně jako elektron (považovaný za kvazičástici, protože jeho efektivní hmotnost v pevném tělese se liší od hmotnosti ve vakuu).

Poznámky

1. ↑ Úžasný svět uvnitř atomového jádra. Otázky po přednášce Archivováno 15. července 2015 na Wayback Machine , FIAN, 11. září 2007
2. ↑ 1 2 3 Základní částice a interakce . Získáno 9. ledna 2010. Archivováno z originálu 9. května 2017. (neurčitý)
3. ↑ Za Einsteinovou teorií - supersymetrie a supergravitace . Získáno 9. ledna 2010. Archivováno z originálu 12. dubna 2009. (neurčitý)
4. ↑ Zubarev D. N. Fermi - Diracovy statistiky // Fyzická encyklopedie  : [v 5 svazcích] / Ch. vyd. A. M. Prochorov . - M . : Velká ruská encyklopedie , 1999. - V. 5: Stroboskopické přístroje - Jas. - S. 283-284. — 692 s. — 20 000 výtisků.  — ISBN 5-85270-101-7 .
5. ↑ Kapitola IX, § 61. Princip nerozlišitelnosti identických částic. In: Landau L. D. , Lifshitz E. M. Kvantová mechanika (nerelativistická teorie). — Vydání 4. - M .: Nauka , 1989. - S. 273-276. — 768 s. - (" Teoretická fyzika ", svazek III). - ISBN 5-02-014421-5 .
6. ↑ Poznámky k Diracově přednášce Developments in Atomic Theory v Le Palais de la Découverte, 6. prosince 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. Viz také poznámka 64 na str. 331 Archivováno 15. dubna 2022 na Wayback Machine ve Farmelo G. The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom.
7. ↑ Morii T., Lim CS, Mukherjee SN The Physics of the Standard Model and Beyond  . - World Scientific , 2004. - ISBN 978-981-279-560-1 .
8. ↑ Boos E. E., Brandt O., Denisov D., Denisov S. P., Grannis P. Top quark (k 20. výročí objevu)  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - 2015. - T. 185 . - S. 1241-1269 . - doi : 10.3367/UFNr.0185.201512a.1241 . Archivováno z originálu 20. prosince 2016. (Ruština)
9. ↑ Laboratorní měření a omezení vlastností  neutrin . Získáno 25. září 2009. Archivováno z originálu 21. února 2012.

Odkazy

• Fermion // Fyzikální encyklopedie  : [v 5 svazcích] / Ch. vyd. A. M. Prochorov . - M . : Velká ruská encyklopedie , 1999. - V. 5: Stroboskopické přístroje - Jas. - S. 284. - 692 s. — 20 000 výtisků.  — ISBN 5-85270-101-7 .

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Skvělý norský Velký Rus Britannica (online) Treccani Universalis
V bibliografických katalozích BNE : XX534885 BNF : 11976538t GND : 4121256-3 J9U : 987007529000905171 LCCN : sh85047833 SUDOC : 027801136