Fermioni: kas tie ir? Kvarki, leptoni, spins un Pauli princips
Uzzini fermionus: kvarki, leptoni, spins un Pauli princips — kas tie ir, kā darbojas un kāpēc tie veido mūsu materiālo pasauli.
Fermions ir elementārdaļiņu kategorija, kas sastāda vielu un nosaka lielu daļu materiālu īpašību. Tos par fermioniem nosauca P. A. M. Diraks par godu Enriko Fermi. Fermioni var būt gan fundamentālas (neveidotas no citām daļiņām), gan sastopamas kā kompozītas daļiņas (piemēram, protons un neitrons, kas sastāv no kvarkiem).
Kas atšķir fermionus?
Elektrons (lādēta daļiņa) ir fermions, bet fotons (elektromagnētiskā starojuma daļiņa) nav. Galvenā atšķirība starp fermioniem un otrai klasē esošajiem bozoniem ir to spins un kvantu statistika:
- Spins. Fermioniem ir pusveselos (half-integer) spins — 1/2, 3/2, 5/2 utt. (skat. arī spina skaitļus).
- Statistika. Fermionu kustība un sadalījums aprakstāms ar Fermī-Diraka statistikai, kas atšķiras no bozonu Bose–Einstein statistikas.
- Pauli izslēgšanas princips. Tā kā fermionu spinam ir pusvesels raksturs, tiem ir spēkā Pauli izslēgšanas princips: divi fermioni nevar vienlaikus atrasties vienā un tajā pašā kvantu stāvoklī (ieskaitot vietas un kvantu skaitļus, piemēram, spinu). Tas nosaka, kā elektroni aizpilda atomu orbītas un kā veidojas vielas ķīmiskais uzvedums.
Piemēri un sekas
Pauli princips nenozīmē, ka fermioni "nevar sadurties" — tie var mijiedarboties un scatterēt — bet tas nozīmē, ka viņi nevar okupēt precīzi vienādu kvantu stāvokli. Šis ierobežojums izraisa tādas parādības kā elektronu aizpildītās enerģijas līmeņu struktūras atomos, materiālu elektriskās un termiskās īpašības, kā arī degenerācijas spiedienu zvaigznēs:
- Elektronu kvantu aizpildījums atomā nosaka ķīmiskās sastāvdaļas un periodiskā tabula.
- Degenerācijas spiediens, ko nodrošina fermioni (piem., elektroni baltajos punduros vai neitroni neitronzvaigznēs), pretstatā gravitācijai stabilizē kompaktas zvaigznes.
Fundamentālie fermioni: kvarki un leptoni
Fundamentālie fermioni, kas nav sastāvējuši no citām daļiņām, ir kvarki vai leptoni. Katrai no šīm grupām ir seši veidi (t.s. "flavori"):
- Kvarki — augšējais (up), lejupējais (down), šarms (charm), dīvainais (strange), top (augšējais, top) un bottom (apakšējais, bottom).
- Leptoni — elektrons, mions, tau, elektronu neitrīno, mionu neitrīno, tau neitrīno.
Katram no šiem fermijoniem pastāv arī antidaļiņa, tādējādi kopējais fundamentālo fermionu skaits (ar anti-daļiņām) ir 24. Antidaļiņai parasti ir tādas pašas masas īpašības, bet pretējs elektriskais lādiņš un daži citi kvantu skaitļi.
Lādījumi, masa un piemēri
Daži būtiski fakti par lādiņiem un masu:
- Kvarkiem: "augšup", "šarms" un "top" parasti nes +2/3 elektronlādiņa; to antidaļiņām ir -2/3. "Lejup", "dīvainais" un "apakšējais" nes -1/3; to antidaļiņām ir +1/3.
- Leptoniem: elektrons, mions un tau nēsā lādiņu -1; to antidaļiņām (piem., antielektrons jeb pozitrons) ir +1. Visu neitrīnu un antineitrīnu lādiņš ir 0.
- Galvenā atšķirība starp fermioniem ar vienādu lādiņu bieži ir to masa — piemēram, elektrons, mions un tau ir ar vienādu elektrisko lādiņu, bet ar ļoti atšķirīgām masām.
Kombinētie fermioni un supraiedarbība
Dažas daļiņas, kas nav fundamentālas, tomēr ir fermioni, ja tām kopējais spins ir pusvesels. Piemēram, protonam un neitronam (kuras ir kvarku kompozīti) ir kopējais spin 1/2 un tās uzskata par fermioniem. Fermioniem piemīt antisimetriska kvantu vilnēfunkcija, kas izsauc Pauli principa efektus.
Supersimetriskais ekvivalents
Jebkura fermiona supersimetrisko pārinieku sauc par "sfermionu" — tas būtu bosona tips ar tādu pašu lādiņu un citiem īpašajiem kvantu skaitļiem, ja supersimetrija būtu eksperimentāli novērota.
Kopsavilkums
Fermioni ir vielas pamatelementi ar pusveselu spinu, kuriem ir raksturīga Fermi–Diraca statistika un Pauli izslēgšanas princips. Tie ietver fundamentālos kvarkus un leptonus (kopā ar antidaļiņām 24 veidi) un arī daudzas kompozītas daļiņas, kas veido redzamo Visumu — atomus, molekulas un makroskopiskās vielas īpašības.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir fermions?
A: Fermions ir elementārdaļiņu kategorija, kas ir ļoti mazas un vieglas. Tās var uzskatīt par vielas pamatelementiem, jo no tām sastāv atomi.
J: Kas tos nosauca par fermijoniem?
A: Pols Diraks tos nosauca par fermijoniem par godu slavenajam zinātniekam Enriko Fermi.
Vai elektrons ir fermions?
A: Jā, elektrons (lādēta daļiņa) ir fermiona paveids.
J: Vai divi fermioni var atrasties vienā kvantu stāvoklī?
A: Nē, jo to spina skaitlis nav vesels skaitlis, tiem ir Pauli izslēgšanas princips, kas nosaka, ka divi fermioni nevar būt vienā kvantu stāvoklī, ja tiem ir vienādi kvantu skaitļi, piemēram, spins.
J: Cik dažādi ir fundamentālie fermioni?
A: Ir 24 dažādi fundamentālie fermioni - 6 kvarki un 6 leptoni, kā arī ar tiem saistītās antidaļiņas.
J: Kāda ir atšķirība starp kvarkiem un leptoniem ar vienādu lādiņu?
A: Galvenā atšķirība starp kvarkiem un leptoniem ar vienādu lādiņu ir to masa.
J: Kas ir sfermions? A:Jebkura fermiona supersimetrisko ekvivalentu sauc par "sfermionu".
Meklēt