Просмотр кода страницы Фермион

{{Информация о частице
 |цвет_фона               =
 |имя                     = Фермион
 |изображение             = Fermiones bosones.png
 |классификация           = для фундаментальных фермионов: [[кварк]]и и [[лептон]]ы. Для [[Элементарная частица|элементарных частиц]]: лептоны и [[барион]]ы
 |состав                  = может быть как [[фундаментальная частица|фундаментальной частицей]], так и составной (в т.ч. [[Квазичастица|квазичастицей]])
 |взаимодействие          = [[Гравитационное взаимодействие|Гравитационное]], [[слабое взаимодействие|слабое]] <ref name="elementyGrav">[http://elementy.ru/lib/430525 Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции] {{Wayback|url=http://elementy.ru/lib/430525 |date=20150715202155 }}, ФИАН, 11 сентября 2007 года</ref> (общее для всех)
 |названа                 = [[Ферми, Энрико|Энрико Ферми]]
 |спин                    = Полуцелый<ref name="nuclphys1" />
}}
'''Фермио́н''' — частица или [[квазичастица]] с полуцелым значением [[спин]]а (то есть равным <math>(n+1/2)\hbar</math>, где <math>n</math> — целое число, а <math>\hbar</math> — [[приведённая постоянная Планка]]<ref name="nuclphys1">{{Cite web |url=http://nuclphys.sinp.msu.ru/nucmodl/nml01.htm |title=Фундаментальные частицы и взаимодействия |access-date=2010-01-09 |archive-date=2017-05-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170509172732/http://nuclphys.sinp.msu.ru/nucmodl/nml01.htm |deadlink=no }}</ref>). Все частицы можно разделить на две группы, в зависимости от значения их спина: частицы с целым спином относятся к [[бозон]]ам, с полуцелым — к фермионам.

Примеры фермионов: [[кварк]]и (они образуют [[протон]]ы и [[нейтрон]]ы, которые также являются фермионами), [[лептон]]ы ([[электрон]]ы, [[мюон]]ы, [[тау-лептон]]ы, [[нейтрино]]), [[Дырка (квазичастица)|дырки]] ([[квазичастицы]] в [[полупроводник]]е)<ref>{{Cite web |url=http://www.znanie-sila.ru/people/issue_83.html |title=За пределами теории Эйнштейна — суперсимметрия и супергравитация |access-date=2010-01-09 |archive-date=2009-04-12 |archive-url=https://web.archive.org/web/20090412061934/http://www.znanie-sila.ru/people/issue_83.html |deadlink=no }}</ref>. Фермионами являются также квантовомеханические системы, состоящие из нечётного числа фермионов (и произвольного числа бозонов).

Фермионы подчиняются [[принцип Паули|принципу Паули]]; [[волновая функция]] системы тождественных фермионов меняет знак при перестановке любых двух частиц. Термодинамически равновесное состояние такой системы описывается [[статистика Ферми — Дирака|статистикой Ферми — Дирака]]<ref>{{ФЭ|автор = Зубарев Д. Н.|статья=Ферми — Дирака статистика|том=5|с=283—284}}</ref>, с чем и связано их название<ref>Глава IX, § 61. Принцип неразличимости одинаковых частиц. В кн.: {{Ландавшиц|т=3|год =1989 | страницы =273—276}}</ref>. Название ''фермион'' было введено английским физиком-теоретиком [[Дирак, Поль Адриен Морис|Полем Дираком]] от фамилии итальянского физика [[Ферми, Энрико|Энрико Ферми]]; впервые термины «бозон» и «фермион» были использованы Дираком в лекции «Развитие атомной теории», прочитанной им во вторник, 6 декабря 1945 года в парижском научном музее «[[Дворец открытий (Париж)|Дворец открытий]]»<ref>Примечания к лекции Дирака ''Developments in Atomic Theory'' at Le Palais de la Découverte, 6 December 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. См. также примечание 64 на [https://books.google.com/books?id=-TT_z4llWoIC&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q=331 с. 331] {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=-TT_z4llWoIC&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q=331 |date=20220415095245 }} в кн.: ''Farmelo G.'' The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom.</ref>.
[[Файл:Asymmetricwave2.png|мини|260px|Антисимметричная волновая функция для (фермионного) двухчастичного состояния в прямоугольной [[Потенциальная яма|потенциальной яме]] с бесконечно высокими стенками]]

== Свойства фермионов ==
Фермионы, в отличие от [[бозон]]ов, подчиняются [[статистика Ферми — Дирака|статистике Ферми — Дирака]]: в одном [[квантовое состояние|квантовом состоянии]] может находиться не более одной частицы ([[принцип Паули]]).

[[Принцип Паули|Принцип запрета Паули]] ответственен за устойчивость электронных оболочек [[атом]]ов, делая возможным существование сложных химических элементов. Он также позволяет существовать [[Агрегатное состояние|вырожденной материи]] под действием высоких давлений ([[нейтронная звезда|нейтронные звёзды]]).

[[Волновая функция]] системы одинаковых фермионов [[Антисимметричное отношение|антисимметрична]] относительно перестановки двух любых фермионов.

Квантовая система, состоящая из ''нечётного'' числа фермионов, сама является фермионом. Например, [[атомное ядро|ядро]] с нечётным [[Массовое число|массовым числом]] {{math|''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 [[Гелий-3|гелия-3]], состоящий из двух протонов, нейтрона и двух электронов (в сумме пять фермионов) является фермионом, а атом [[литий-7|лития-7]] (три протона, четыре нейтрона, три электрона) является бозоном. Для нейтральных атомов число электронов совпадает с числом протонов, то есть сумма числа электронов и протонов всегда чётна, поэтому фактически классификация нейтрального атома как бозона/фермиона определяется чётным/нечётным числом нейтронов в его ядре.

== Фундаментальные фермионы ==
Все известные на данный момент фермионы, являющиеся [[фундаментальные частицы|фундаментальными частицами]] (т.е. [[кварки]] и [[лептоны]]), имеют спин 1/2, тогда как составные фермионы ([[барионы]], атомные ядра, атомы и т.п. квантовые системы) могут иметь спин 1/2, 3/2, 5/2 и т.д.

Математически, фермионы со спином 1/2 могут быть трех типов:
* [[Уравнение Вейля|вейлевские фермионы]] (безмассовые),
* [[Фермион Дирака|дираковские фермионы]] (массивные) и
* [[Майорановский фермион|майорановские фермионы]] (совпадающие со своей античастицей).

Считается, что большинство фермионов [[Стандартная модель|Стандартной модели]] являются дираковскими фермионами, хотя в настоящее время неизвестно, являются ли нейтрино дираковскими или майорановскими фермионами (или обоими). Фермионы Дирака можно рассматривать как [[суперпозиция (квантовая механика)|суперпозицию]]{{уточнить}} двух фермионов Вейля<ref name="MoriiLim2004">{{книга |автор=Morii T., Lim C. S., Mukherjee S. N. |заглавие=The Physics of the Standard Model and Beyond |издательство=[[World Scientific]]|год=2004 |isbn=978-981-279-560-1 |язык=en  }}</ref>. В июле 2015 года фермионы Вейля были экспериментально реализованы как [[квазичастица|квазичастицы]] в {{iw|Полуметаллы Вейля|полуметаллах Вейля||Weyl semimetal}}.

Согласно Стандартной модели, существует 12 видов ([[аромат (физика)|ароматов]]) элементарных фермионов: шесть [[кварк]]ов и шесть [[лептон]]ов<ref name="nuclphys1" />.

* [[Кварк]]и имеют [[Цвет (квантовая хромодинамика)|цветовой заряд]] и участвуют в сильном взаимодействии. Их [[античастицы]] называются антикварками. Существует шесть [[аромат (физика)|ароматов]] кварков (по 2 в каждом поколении):
{| class="wikitable"
|-
| colspan=1 align=center | '''Поколение'''
|
| colspan=3 align=center | Кварки с зарядом (+2/3)[[элементарный заряд|e]]
|
| colspan=3 align=center | Кварки с зарядом (−1/3)[[элементарный заряд|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
| <math>u / \, \overline{u}</math>
| от 1,5 до 3
|
| [[d-кварк]] (down-кварк) / анти-d-кварк
| <math>d / \, \overline{d}</math>
| 4,79±0,07
|-
| 2
|
| [[c-кварк]] (charm-кварк) / анти-c-кварк
| <math>c / \, \overline{c}</math>
| 1250 ± 90
|
| [[s-кварк]] (strange-кварк) / анти-s-кварк
| <math>s / \, \overline{s}</math>
| 95 ± 25
|-
| 3
|
| [[t-кварк]] (top-кварк) / анти-t-кварк
| <math>t / \, \overline{t}</math>
| 174 340 ± 790<ref>{{статья |автор=Боос Э. Э., Брандт О., Денисов Д., Денисов С. П., Граннис П. |заглавие=Top-кварк (к 20-летию открытия) |издание=[[Успехи физических наук]] |год=2015 |том=185 |страницы=1241—1269 |ссылка=http://ufn.ru/ru/articles/2015/12/a/ |doi=10.3367/UFNr.0185.201512a.1241 |язык=ru |archivedate=2016-12-20 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20161220103311/http://ufn.ru/ru/articles/2015/12/a/ }}</ref>
|
| [[b-кварк]] (bottom-кварк) / анти-b-кварк
| <math>b / \, \overline{b}</math>
| 4200 ± 70
|-
|}
У всех кварков есть также [[электрический заряд]], кратный 1/3 [[Элементарный электрический заряд|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.

* [[Лептон]]ы не участвуют в сильном взаимодействии. Их античастицы — антилептоны (античастица [[электрон]]а называется [[позитрон]] по историческим причинам). Существуют лептоны шести [[аромат (физика)|ароматов]]:
{| class="wikitable"
|-
| colspan=1 align=center | '''Поколение'''
|
| colspan=4 align=center | '''Заряженный лептон / античастица'''
|
| colspan=4 align=center | '''Нейтрино / антинейтрино'''
|-
!
!
! Название
! Символ
! Электрический заряд ([[элементарный заряд|e]])
! Масса ([[МэВ]])
!
! Название
! Символ
! Электрический заряд ([[элементарный заряд|e]])
! Масса ([[МэВ]])<ref name="neutrinomass">{{cite web|url=http://cupp.oulu.fi/neutrino/nd-mass.html|title=Лабораторные измерения и ограничения на свойства нейтрино|accessdate=2009-09-25|lang=en|archiveurl=https://www.webcitation.org/65cC79r0t?url=http://cupp.oulu.fi/neutrino/nd-mass.html|archivedate=2012-02-21|deadlink=no}}</ref>
|-
| 1
|
| [[Электрон]] / [[Позитрон]]
| <math>e^- \, / \, e^+</math>
| −1 / +1
| 0,511
|
| [[Электронное нейтрино]] / Электронное антинейтрино
| <math>\nu_e \, / \, \overline{\nu}_e</math>
| 0
| < 0,0000022
|-
| 2
|
| [[Мюон]]
| <math>\mu^- \, / \, \mu^+ </math>
| −1 / +1
| 105,66
|
| [[Мюонное нейтрино]] / Мюонное антинейтрино
| <math>\nu_\mu \, / \, \overline{\nu}_\mu</math>
| 0
| < 0,17
|-
| 3
|
| [[Тау-лептон]]
| <math>\tau^- \, / \, \tau^+</math>
| −1 / +1
| 1776,99
|
| [[Тау-нейтрино]] / тау-антинейтрино
| <math>\nu_\tau \, / \, \overline{\nu}_\tau</math>
| 0
| < 15,5
|-
|}

Массы нейтрино не равны нулю (это подтверждается существованием [[нейтринные осцилляции|нейтринных осцилляций]]), но настолько малы, что на 2022 год ещё не были измерены напрямую.

<!-- См. также [[чармоний]], [[кварконий]], [[боттомоний]]. --------------- Закомментировал, потому что все "онии" -- бозоны-->

== Квазичастицы ==

[[Квазичастицы]] также несут спин и поэтому могут классифицироваться как фермионы и бозоны. Примерами квазичастиц-фермионов являются [[полярон]] и [[дырка]], а также электрон (рассматриваемый как квазичастица, поскольку в твёрдом теле его эффективная масса отличается от его массы в вакууме).

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
{{Викисловарь|фермион}}
* {{Книга:Физическая энциклопедия|автор=|статья=Фермион|т=5|с=284|ссылка=http://www.physicum.narod.ru/vol_5/284.pdf}}
{{ВС}}
{{Частицы}}

[[Категория:Фермионы|*]]
[[Категория:Ядерная физика]]
[[Категория:Квантовая теория поля]]
[[Категория:Физика твёрдого тела]]
[[Категория:Объекты, названные в честь Энрико Ферми]]