Kiến thức Phổ thông

Tìm hiểu: Hạt Fermion là gì?

Trong vật lý hạt, fermion là một loại hạt tuân theo các quy tắc thống kê Fermi-Dirac, cụ thể là Nguyên tắc loại trừ Pauli. Các fermion này cũng có một spin lượng tử với chứa một giá trị nửa nguyên, chẳng hạn như 1/2, -1/2, -3/2, v.v. (Để so sánh, có các loại hạt khác, được gọi là boson, có spin nguyên, chẳng hạn như 0, 1, -1, -2, 2, v.v.)

Điều gì làm cho hạt Fermion trở nên đặc biệt?

Các fermion đôi khi được gọi là các hạt vật chất, bởi vì chúng là các hạt tạo nên hầu hết những gì chúng ta nghĩ là vật chất trong thế giới của chúng ta, bao gồm các proton, neutronelectron.

Fermion được dự đoán lần đầu tiên vào năm 1925 bởi nhà vật lý Wolfgang Pauli, người đang cố gắng tìm ra cách giải thích cấu trúc nguyên tử được đề xuất vào năm 1922 bởi Niels Bohr. Bohr đã sử dụng bằng chứng thực nghiệm để xây dựng một mô hình nguyên tử chứa vỏ electron, tạo ra quỹ đạo ổn định cho các electron di chuyển xung quanh hạt nhân nguyên tử. Mặc dù điều này rất phù hợp với bằng chứng, không có lý do cụ thể tại sao cấu trúc này sẽ ổn định và đó là lời giải thích mà Pauli đang cố gắng đạt được. Ông nhận ra rằng nếu bạn gán các số lượng tử (sau này được gọi là spin lượng tử) cho các electron này, thì dường như có một nguyên tắc nào đó có nghĩa là không có hai electron nào có thể ở cùng một trạng thái. Quy tắc này được gọi là Nguyên tắc loại trừ Pauli.

Năm 1926, Enrico Fermi và Paul Dirac đã cố gắng độc lập tìm hiểu các khía cạnh khác của hành vi điện tử dường như mâu thuẫn và, khi làm như vậy, đã thiết lập một cách thống kê đầy đủ hơn để đối phó với các điện tử. Mặc dù Fermi đã phát triển hệ thống trước tiên, nhưng chúng đủ gần và cả hai đã làm đủ việc mà hậu thế đã đặt tên cho phương pháp thống kê của họ là thống kê Fermi-Dirac, mặc dù chính các hạt được đặt theo tên của chính Fermi.

Thực tế là tất cả các fermion không thể sụp đổ vào cùng một trạng thái – một lần nữa, đó là ý nghĩa tối thượng của Nguyên tắc Loại trừ Pauli – rất quan trọng. Các fermion bên trong Mặt trời (và tất cả các ngôi sao khác) đang sụp đổ cùng nhau dưới lực hấp dẫn dữ dội, nhưng chúng không thể sụp đổ hoàn toàn vì Nguyên tắc Loại trừ Pauli. Kết quả là, có một áp lực được tạo ra để đẩy lùi sự sụp đổ lực hấp dẫn của vật chất của ngôi sao. Chính áp lực này tạo ra nhiệt mặt trời cung cấp năng lượng cho không chỉ hành tinh của chúng ta mà còn rất nhiều năng lượng trong phần còn lại của vũ trụ chúng ta … bao gồm cả sự hình thành của các nguyên tố nặng, như được mô tả bởi quá trình tổng hợp hạt nhân.

Hạt Fermion cơ bản

Có tổng cộng 12 fermion cơ bản – fermion không được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn – đã được xác định bằng thực nghiệm. Họ thuộc hai loại:

Quark – Quark là các hạt tạo nên các hadron, như proton và neutron. Có 6 loại quark khác nhau:

  • Up Quark
  • Charm Quark
  • Top Quark
  • Down Quark
  • Strange Quark
  • Bottom Quark

Leptons – Có 6 loại lepton khác nhau:

  • Electron
  • Electron Neutrino
  • Muon
  • Muon Neutrino
  • Tau
  • Tau Neutrino

Ngoài các hạt này, lý thuyết siêu đối xứng dự đoán rằng mọi boson sẽ có một đối tác fermionic cho đến nay vẫn chưa được phát hiện. Vì có 4 đến 6 boson cơ bản, điều này sẽ gợi ý rằng – nếu siêu đối xứng là đúng – có 4 đến 6 fermion cơ bản khác chưa được phát hiện, có lẽ vì chúng rất không ổn định và đã phân rã thành các dạng khác.

Hạt Fermion tổng hợp

Ngoài các fermion cơ bản, một lớp fermion khác có thể được tạo ra bằng cách kết hợp các fermion với nhau (có thể cùng với boson) để có được một hạt kết quả với một spin nửa nguyên. Các spin lượng tử cộng lại, vì vậy một số toán học cơ bản cho thấy rằng bất kỳ hạt nào chứa số lượng fermion lẻ sẽ kết thúc với một spin nửa nguyên và do đó, sẽ là một fermion. Một số ví dụ bao gồm:

Baryon – Đây là những hạt, như proton và neutron, bao gồm ba hạt quark liên kết với nhau. Vì mỗi quark có spin nửa nguyên, baryon kết quả sẽ luôn có spin nửa nguyên, bất kể ba loại quark nào kết hợp với nhau để tạo thành nó.

Helium-3 – Chứa 2 proton và 1 neutron trong hạt nhân, cùng với 2 electron bao quanh nó. Vì có một số lượng fermion lẻ, spin kết quả là một giá trị nửa nguyên. Điều này có nghĩa là helium-3 cũng là một fermion.

Đọc thêm:

Chủ đề xuất hiện trong bài viết
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker