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Fermion Definition in der Physik

In der Teilchenphysik ist eine Fermion eine Art Teilchen, das den Regeln der Fermi-Dirac-Statistik folgt, nämlich dem Pauli-Ausschlussprinzip. Diese Fermionen haben auch einen Quantenspin, der einen halben ganzzahligen Wert enthält, wie z. B. 1/2, -1/2, -3/2 und so weiter. (Im Vergleich dazu gibt es andere Arten von Partikeln, sogenannte Bosonen , die einen ganzzahligen Spin haben, wie 0, 1, -1, -2, 2 usw.)

 

Was macht Fermions so besonders?

Fermionen werden manchmal Materieteilchen genannt, weil sie die Teilchen sind, aus denen das meiste besteht, was wir in unserer Welt als physikalische Materie betrachten, einschließlich Protonen, Neutronen und Elektronen.

Fermionen wurden erstmals 1925 vom Physiker Wolfgang Pauli vorhergesagt, der herausfinden wollte, wie die 1922 von Niels Bohr vorgeschlagene Atomstruktur zu erklären ist . Bohr hatte experimentelle Beweise verwendet, um ein Atommodell zu erstellen, das Elektronenschalen enthielt und stabile Bahnen für Elektronen erzeugte, die sich um den Atomkern bewegen konnten. Obwohl dies gut mit den Beweisen übereinstimmte, gab es keinen besonderen Grund, warum diese Struktur stabil sein würde, und das ist die Erklärung, die Pauli zu erreichen versuchte. Er erkannte, dass, wenn Sie diesen Elektronen Quantenzahlen (später Quantenspin genannt ) zuweisen , es ein Prinzip zu geben scheint, das bedeutet, dass sich keine zwei Elektronen in genau demselben Zustand befinden können. Diese Regel wurde als Pauli-Ausschlussprinzip bekannt.

1926 versuchten Enrico Fermi und Paul Dirac unabhängig voneinander, andere Aspekte des scheinbar widersprüchlichen Elektronenverhaltens zu verstehen, und etablierten damit eine vollständigere statistische Methode für den Umgang mit Elektronen. Obwohl Fermi das System zuerst entwickelte, waren sie nah genug und beide haben genug Arbeit geleistet, dass die Nachwelt ihre statistische Methode Fermi-Dirac-Statistik genannt hat, obwohl die Partikel selbst nach Fermi selbst benannt wurden.

Die Tatsache, dass Fermionen nicht alle in den gleichen Zustand zusammenbrechen können – das ist wiederum die ultimative Bedeutung des Pauli-Ausschlussprinzips – ist sehr wichtig. Die Fermionen in der Sonne (und alle anderen Sterne) kollabieren unter der starken Schwerkraft zusammen, können jedoch aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips nicht vollständig kollabieren. Infolgedessen wird ein Druck erzeugt, der gegen den Gravitationskollaps der Materie des Sterns drückt. Es ist dieser Druck, der die Sonnenwärme erzeugt, die nicht nur unseren Planeten, sondern auch einen Großteil der Energie im Rest unseres Universums antreibt … einschließlich der Bildung schwerer Elemente, wie durch die Sternnukleosynthese beschrieben .

 

Grundlegende Fermionen

Es wurden insgesamt 12 fundamentale Fermionen – Fermionen, die nicht aus kleineren Partikeln bestehen – experimentell identifiziert. Sie fallen in zwei Kategorien:

  • Quarks – Quarks sind die Teilchen, aus denen Hadronen bestehen, wie Protonen und Neutronen. Es gibt 6 verschiedene Arten von Quarks:
      • Up Quark
    • Charm Quark
    • Top Quark
    • Quark runter
    • Seltsamer Quark
    • Bottom Quark
  • Leptonen – Es gibt 6 Arten von Leptonen:
      • Elektron
    • Electron Neutrino
    • Myon
    • Myon Neutrino
    • Tau
    • Tau Neutrino

Zusätzlich zu diesen Teilchen sagt die Theorie der Supersymmetrie voraus, dass jedes Boson ein bisher unentdecktes fermionisches Gegenstück haben würde. Da es 4 bis 6 fundamentale Bosonen gibt, würde dies darauf hindeuten, dass – wenn die Supersymmetrie wahr ist – weitere 4 bis 6 fundamentale Fermionen noch nicht entdeckt wurden, vermutlich weil sie sehr instabil sind und in andere Formen zerfallen sind.

 

Zusammengesetzte Fermionen

Über die fundamentalen Fermionen hinaus kann eine weitere Klasse von Fermionen erzeugt werden, indem Fermionen (möglicherweise zusammen mit Bosonen) kombiniert werden, um ein resultierendes Teilchen mit einem halb ganzzahligen Spin zu erhalten. Die Quantenspins addieren sich, so dass einige grundlegende mathematische Methoden zeigen, dass jedes Teilchen, das eine ungerade Anzahl von Fermionen enthält, einen halb ganzzahligen Spin erhält und daher selbst eine Fermion ist. Einige Beispiele sind:

  • Baryonen – Dies sind Teilchen wie Protonen und Neutronen, die aus drei miteinander verbundenen Quarks bestehen. Da jeder Quark einen halb-ganzzahligen Spin hat, hat der resultierende Baryon immer einen halb-ganzzahligen Spin, unabhängig davon, welche drei Quark-Typen sich zu ihm verbinden.
  • Helium-3 – Enthält 2 Protonen und 1 Neutron im Kern sowie 2 Elektronen, die ihn umkreisen. Da es eine ungerade Anzahl von Fermionen gibt, ist der resultierende Spin ein halber ganzzahliger Wert. Dies bedeutet, dass Helium-3 ebenfalls eine Fermion ist.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D.

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