ფერმიონი

ფერმიონი, ფერმი-ნაწილაკი — ნაწილაკი ან მრავალი ნაწილაკის კვანტური სისტემის ელემენტარული აგზნება — კვაზინაწილაკი, რომელსაც მთელნახევარი სპინი აქვს. ფერმიონს განეკუთვნება ყველა ბარიონი და ლეპტონი, მათი ანტინაწილაკები, აგრეთვე ისეთი კვაზინაწილაკები, როგორიცაა მყარ სხეულებში ელექტრონული და ხვრელური აგზნებები. ფერმიონია აგრეთვე კენტი რიცხვისაგან შედგენილი სისტემები (კენტი ატომური ნომრის მქონე ატომბირთვები, ატომები, რომელთა ატომურ ნომერსა და ელექტრონთა რიცხვს შორის სხვაობა კენტია და სხვა). ფერმიონისათვის მართებულია პაულის პრინციპი. შესაბამისად ფერმი-დირაკის სტატისტიკას ემორჩილება იგივეობრივი ფერმიონის სისტემები. სახელი ეწოდა ფიზიკოს ენრიკო ფერმის პატივსაცემად.

ფერმინთა მაგალითები: კვარკები (რომლებიც ქმნიან პროტონებსა და ნეიტრონებს, რომლებიც ასევე ფერმინები არიან.), ლეპტონები და სხვ.

ფერმიონები მოიცავს ყველა კვარკს და ლეპტონს და ყველა კომპოზიტურ ნაწილაკს, რომელიც შედგება ამ კენტი რაოდენობისგან, როგორიცაა ყველა ბარიონი და მრავალი ატომები და ბირთვები. ფერმიონები განსხვავდებიან ბოზონებისგან, რომლებიც ემორჩილებიან ბოზე-აინშტაინის სტატისტიკას.

ზოგიერთი ფერმიონი ელემენტარული ნაწილაკებია (როგორიცაა ელექტრონები), ზოგი კი კომპოზიტური ნაწილაკებია (როგორიცაა პროტონები). მაგალითად, რელატივისტური ველის კვანტური თეორიის სპინი-სტატისტიკის თეორემის მიხედვით, ნაწილაკები მთელი რიცხვის სპინით ბოზონებია. ამის საპირისპიროდ, ნახევრად მთელი რიცხვის სპინის მქონე ნაწილაკები ფერმიონები არიან.

სპინის მახასიათებლის გარდა, ფერმიონებს აქვთ კიდევ ერთი სპეციფიკური თვისება: მათ აქვთ კონსერვირებული ბარიონის ან ლეპტონის კვანტური რიცხვები. მაშასადამე, რასაც ჩვეულებრივ მოიხსენიებენ, როგორც სპინ-სტატისტიკის მიმართებას, სინამდვილეში არის სპინის სტატისტიკა-კვანტური რიცხვის მიმართება.

პაულის გამორიცხვის პრინციპის შედეგად, მხოლოდ ერთ ფერმიონს შეუძლია დაიკავოს კონკრეტული კვანტური მდგომარეობა მოცემულ დროს. დავუშვათ, მრავალ ფერმიონს აქვს იგივე სივრცითი ალბათობის განაწილება. მაშინ, თითოეული ფერმიონის მინიმუმ ერთი თვისება, როგორიცაა მისი სპინი, განსხვავებული უნდა იყოს. ფერმიონები ჩვეულებრივ ასოცირდება მატერიასთან, ხოლო ბოზონები ზოგადად ძალის გადამზიდავი ნაწილაკებია. თუმცა, ნაწილაკების ფიზიკის ამჟამინდელ მდგომარეობაში, განსხვავება ორ ცნებას შორის გაურკვეველია. სუსტად ურთიერთქმედების ფერმიონებს შეუძლიათ აგრეთვე გამოავლინონ ბოზონური ქცევა ექსტრემალურ პირობებში. მაგალითად, დაბალ ტემპერატურაზე ფერმიონები აჩვენებენ ზესთხევადობას დაუმუხტავ ნაწილაკებისთვის და ზეგამტარობას დამუხტული ნაწილაკებისთვის.

კომპოზიციური ფერმიონები, როგორიცაა პროტონები და ნეიტრონები, ყოველდღიური მატერიის ძირითადი სამშენებლო ბლოკებია.

ინგლისელმა თეორიულმა ფიზიკოსმა პოლ დირაკმა დაარქვა სახელი ფერმიონი იტალიელი ფიზიკოსის ენრიკო ფერმის გვარიდან.

ელემენტარული ფერმიონები
სტანდარტული მოდელი აღიარებს ელემენტარული ფერმიონების ორ ტიპს: კვარკებს და ლეპტონებს. მთლიანობაში, მოდელი განასხვავებს 24 სხვადასხვა ფერმიონს. არსებობს ექვსი კვარკი (-კვარკი, -კვარკი, -კვარკი, -კვარკი, -კვარკი, -კვარკი) და ექვსი ლეპტონი (ელექტრონი, ელექტრონული ნეიტრინო, მიონი, მუონური ნეიტრინო, ტაუონი და ტაუონ ნეიტრინო), თითოეული მათგანის შესაბამის ანტინაწილაკთან ერთად.

მათემატიკურად, ფერმიონების მრავალი სახეობა არსებობს, მათ შორის სამი ყველაზე გავრცელებული ტიპია:

ვეილი ფერმიონები (უმასური),
დირაკის ფერმიონები (მასიური) და
მაიორანა ფერმიონები (თითოეული თავისი ანტინაწილაკი).
სტანდარტული მოდელის ფერმიონების უმეტესობა ითვლება დირაკის ფერმიონებად, თუმცა ამ დროისთვის უცნობია არის თუ არა ნეიტრინოები დირაკის ან მაიორანას ფერმიონები (ან ორივე). დირაკის ფერმიონები შეიძლება განიხილებოდეს, როგორც ორი ვეილის ფერმიონის კომბინაცია.

კომპოზიტური ფერმიონები
კომპოზიტური ნაწილაკები (როგორიცაა ჰადრონები, ბირთვები და ატომები) შეიძლება იყოს ბოზონები ან ფერმიონები მათი შემადგენლობის მიხედვით. უფრო ზუსტად, სპინისა და სტატისტიკას შორის ურთიერთობის გამო, ნაწილაკი, რომელიც შეიცავს ფერმიონების კენტი რაოდენობას, თავად ფერმიონია. მას ექნება ნახევარმთლიანი სპინი.

მაგალითები მოიცავს შემდეგს:

ბარიონი, როგორიცაა პროტონი ან ნეიტრონი, შეიცავს სამ ფერმიონულ კვარკს.
ნახშირბად-13 ატომის ბირთვი შეიცავს ექვს პროტონს და შვიდ ნეიტრონს.
ატომი ჰელიუმ-3 (3) შედგება ორი პროტონის, ერთი ნეიტრონისა და ორი ელექტრონისგან. დეიტერიუმის ატომი შედგება ერთი პროტონისაგან, ერთი ნეიტრონისგან და ერთი ელექტრონისაგან.
ბოზონების რაოდენობა კომპოზიტურ ნაწილაკში, რომელიც შედგება პოტენციალით შეკრული მარტივი ნაწილაკებისგან, არ მოქმედებს იმაზე, არის ეს ბოზონი თუ ფერმიონი.

კომპოზიციური ნაწილაკების (ან სისტემის) ფერმიონული ან ბოზონური ქცევა ჩანს მხოლოდ დიდ (სისტემის ზომასთან შედარებით) მანძილზე. სიახლოვეში, სადაც სივრცითი სტრუქტურა იწყება მნიშვნელოვანი, კომპოზიტური ნაწილაკი (ან სისტემა) იქცევა მისი შემადგენელი შემადგენლობის მიხედვით.

ფერმიონებს შეუძლიათ გამოავლინონ ბოზონური ქცევა, როდესაც ისინი თავისუფლად შეკრულნი არიან წყვილებში. ეს არის ზეგამტარობისა და ჰელიუმ-3-ის ზესთხევადობის წარმოშობა: ზეგამტარ მასალებში ელექტრონები ურთიერთქმედებენ ფონონების გაცვლის გზით და ქმნიან კუპერის წყვილებს, ხოლო ჰელიუმ-3-ში კუპერის წყვილები წარმოიქმნება სპინის რყევების გზით.

ფრაქციული კვანტური ჰოლის ეფექტის კვაზინაწილაკები ასევე ცნობილია როგორც კომპოზიციური ფერმიონები; ისინი შედგება ელექტრონებისაგან, რომელთაც ლუწი რაოდენობის კვანტური მორევები აქვთ მიმაგრებული.