Фермиони (елементарни частици) — определение, видове и свойства

Научете всичко за фермионите: дефиниция, видове (кварки, лептони), свойства, спин и принцип на Паули — ясно и достъпно обяснение за фундаменталните частици.

Фермионът е вид елементарна частица, чийто половин-цяло (half-integer) спин определя специфично поведение в квантовата механика. Те са много малки и леки частици и се разглеждат като основни градивни елементи на материята: например атомите са изградени от фермиони. Името идва от Пол Дирак, който ги нарича в чест на Енрико Ферми.

Спин, статистика и принцип на Паули

Фермионите имат полу-цели стойности на спина (1/2, 3/2, 5/2 и т.н.), тоест спин, който не е цяло число. Това води до две ключови следствия:

• Статистика на Ферми–Дирак: разпределението на фермионите при дадена температура и енергия се описва от статистиката на Ферми–Дирак, която предсказва, че нивата с енергии под Ферми енергията са постепенно заетите в зависимост от температурата.
• Принцип на изключване на Паули: два идентични фермиона не могат да заемат едно и също квантово състояние (включително позиция и спин) едновременно, ако имат еднакви квантови числа. Това правило е в основата на подреждането на електроните в атомните орбitali и оттам на структурата на периодичната система и химичните свойства на елементите; вижте принципа на изключване на Паули.

Квантово това означава, че в многочастично тяло вълновата функция на фермионите е антисиметрична спрямо размяната на две частици (в отличие от симетричната вълнова функция при бозоните). За разлика от тях, бозоните (частиците с цяло-числен спин) могат да се намират масово в едно и също състояние (например много фотони в лазерен сноп).

Видове фермиони

По отношение на строежа си фермионите могат да бъдат:

• Фундаментални (неразложими): фермиони, които нямат вътрешна структура в рамките на Стандартния модел. Те са или кварки, или лептони. Съществуват 6 „аромата“ (flavors) кварки и 6 лептона (включително неутрина). Общо това дава 12 фундаментални фермиона и още 12 техни античастици (общо 24 основни частици). Описани по имена (използвайки оригиналните термини):
• Кварки — възходящи (up), низходящи (down), чаровни (charm), странни (strange), горни (top) и долни (bottom)
• Лептони — електрон, мюон, тау, електронно неутрино, мюонно неутрино, тау-неутрино
• Съставни фермиони: частици, изградени от неравен брой фундаментални фермиони също са фермиони. Ясен пример са барионите (напр. протон и неутрон), които са съставени от по три кварка и имат половин-цяло общо спин.

Античастици и заряди

Всеки фермион има своя античастица. Античастиците имат същата маса и спин като съответната частица, но обратен електрически заряд и други вътрешни квантови числа. Примери:

• Кварките up, charm и top имат електрически заряд +2/3; техните античастици имат заряд −2/3.
• Кварките down, strange и bottom имат заряд −1/3; техните античастици имат +1/3.
• Електронът, мюонът и тау-лептонът имат заряд −1; техните античастици (напр. антиелектронът — позитрон) имат заряд +1.
• Всички неутрино и антинеутрино са електрически неутрални.

Основната разлика между фермиони със същия заряд е тяхната маса и други свойства като взаимодействия с полета и разпадни канали.

Роля и приложения

Фермионите играят централна роля в конструирането и поведението на материята:

• Структура на атомите и химията: Паулиевото изключване определя разпределението на електроните в орбиталите и затова определя химичните свойства.
• Дегнерирано вещество: електронната дегнерираност създава налягане, което подкрепя бели джуджета срещу гравитационен колапс; подобни ефекти при неутроните са важни за структурата на неутронни звезди.
• Кондензирана материя: фермионите в твърдите тела (електрони) дават проводимост, метални и полупроводникови свойства; квантови ефекти като ферми повърхност и стъклокристални явления са описвани чрез Ферми–Дирак статистика.

Взаимодействия и допълнителни свойства

Фермионите участват във всички фундаментални взаимодействия: силно (кварки), електромагнитно (заредени лептони и кварки), слабо (всички лептони и кварки) и гравитация. Някои важни допълнителни понятия:

• Хиралност и хелиситет: при масивните фермиони са важни понятията лява и дясна хиралност, особено в контекста на слабите взаимодействия.
• Композитност: макроскопични частици могат да бъдат фермиони или бозони в зависимост от сумарния им спин (напр. протон е фермион, α-частицата е бозон).

Свръхсиметрия

В теории извън Стандартния модел всеки фермион има хипотетичен суперсиметричен партньор — скаларна частица. Такива суперсиметрични аналози често се наричат sfermions (в някои преводи — „сфермиони“). В оригиналния текст беше споменато, че Суперсиметричният аналог на всеки фермион се нарича "сферион". Това са скаларни партньори с цел да уравновесят статистиката и спиновите степени на свобода в супресиметричните модели.

Обобщение

Фермионите са частици със полу-цял спин, подчинени на статистиката на Ферми–Дирак и на принципа на изключване на Паули. Те включват фундаменталните кварки и лептони (в това число електронът) и са основата на видимата материя. Свойствата им — заряд, маса, аромат, и взаимодействия — определят поведението на материята от атомно до астрофизично ниво.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява фермионът?

В: Кой ги е нарекъл фермиони?

В: Електронът ферион ли е?

В: Могат ли два фермиона да споделят едно и също квантово състояние?

Въпрос: Колко различни фундаментални фермиона има?

В: Каква е разликата между кварките и лептоните с еднакъв заряд?

Търсене по буква