Открыть главное меню

Фермион

Фермио́н — частица или квазичастица с полуцелым (то есть равным n + 12, где n — целое число) значением спина, выраженного в единицах постоянной Дирака [2]. Все частицы можно разделить на две группы в зависимости от значения их спина: частицы с целым спином относятся к бозонам, с полуцелым — к фермионам.

Фермион
Fermiones bosones.png
Состав может быть фундаментальной частицей, элементарной частицей, квазичастицей или составной
Классификация Кварки, лептоны, барионы, фермионы Дирака, фермионы Майораны, нейтралино
Участвует во взаимодействиях Гравитационное [1] (общее)
В честь кого или чего названа Энрико Ферми
Квантовые числа
Спин Полуцелый[2] ħ
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

Примеры фермионов: кварки (они образуют протоны и нейтроны, которые также являются фермионами), лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино), дырки (квазичастицы в полупроводнике)[3]. Фермионами являются также квантовомеханические системы, состоящие из нечётного числа фермионов (и произвольного числа бозонов), поскольку спин такой системы всегда полуцелый.

Своё название фермионы получили в честь физика Энрико Ферми[4]

Содержание

Свойства фермионовПравить

Фермионы, в отличие от бозонов, подчиняются статистике Ферми — Дирака: в одном квантовом состоянии может находиться не более одной частицы (принцип Паули).

Принцип запрета Паули ответственен за устойчивость электронных оболочек атомов, делая возможным существование сложных химических элементов. Он также позволяет существовать вырожденной материи под действием высоких давлений (нейтронные звёзды).

Волновая функция системы одинаковых фермионов антисимметрична относительно перестановки двух любых фермионов.

Квантовая система, состоящая из нечётного числа фермионов, сама является фермионом. Например, ядро с нечётным массовым числом A (поскольку нуклоны — протоны и нейтроны — являются фермионами, а массовое число равно суммарному числу нуклонов в ядре); атом или ион с нечётной суммой числа электронов и массового числа ядра (поскольку электроны также являются фермионами, и общее количество фермионов в атоме/ионе равно сумме числа нуклонов в ядре и числа электронов в электронной оболочке). При этом орбитальные моменты импульса частиц, входящих в состав квантовой системы, не влияют на её классификацию как фермиона или бозона, поскольку все орбитальные моменты являются целыми, и их добавление в любой комбинации к спину системы не может превратить суммарный полуцелый спин нечётного числа фермионов в целый. Система, состоящая из чётного числа фермионов, является бозоном: её суммарный спин всегда целый. Так, атом гелия-3, состоящий из двух протонов, нейтрона и двух электронов (в сумме пять фермионов) является фермионом, а атом лития-7 (три протона, четыре нейтрона, три электрона) является бозоном. Для нейтральных атомов число электронов совпадает с числом протонов, т.е. сумма числа электронов и протонов всегда чётна, поэтому фактически классификация нейтрального атома как бозона/фермиона определяется чётным/нечётным числом нейтронов в его ядре.

Фундаментальные фермионыПравить

Согласно Стандартной модели, существует 12 видов (ароматов) элементарных фермионов: шесть кварков и шесть лептонов[2].

Поколение Кварки с зарядом (+2/3)e Кварки с зарядом (−1/3)e
Название/ аромат кварка/ антикварка Символ кварка/ антикварка Масса (МэВ) Название/ аромат кварка/ антикварка Символ кварка/ антикварка Масса (МэВ)
1 u-кварк (up-кварк) / анти-u-кварк   от 1,5 до 3 d-кварк (down-кварк) / анти-d-кварк   4,79±0,07
2 c-кварк (charm-кварк) / анти-c-кварк   1250 ± 90 s-кварк (strange-кварк) / анти-s-кварк   95 ± 25
3 t-кварк (top-кварк) / анти-t-кварк   174 340 ± 790[5] b-кварк (bottom-кварк) / анти-b-кварк   4200 ± 70

У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. В каждом поколении один кварк имеет электрический заряд +2/3 (это u-, c- и t-кварки) и один — заряд −1/3 (d-, s- и b-кварки); у антикварков заряды противоположны по знаку. Кроме сильного и электромагнитного взаимодействия, кварки участвуют в слабом взаимодействии.

  • Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их античастицы — антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Существуют лептоны шести ароматов:
Поколение Заряженный лептон / античастица Нейтрино / антинейтрино
Название Символ Электрический заряд (e) Масса (МэВ) Название Символ Электрический заряд (e) Масса (МэВ)[6]
1 Электрон / Позитрон   −1 / +1 0,511 Электронное нейтрино / Электронное антинейтрино   0 < 0,0000022
2 Мюон   −1 / +1 105,66 Мюонное нейтрино / Мюонное антинейтрино   0 < 0,17
3 Тау-лептон   −1 / +1 1776,99 Тау-нейтрино / тау-антинейтрино   0 < 15,5

Массы нейтрино не равны нулю (это подтверждается существованием нейтринных осцилляций), но настолько малы, что на 2014 год ещё не были измерены напрямую.

См. также чармоний, кварконий, боттомоний.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

СсылкиПравить

  • Физическая энциклопедия, т. 5. — М.: Большая Российская Энциклопедия; статья «Фермионы» с. 284.