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自旋為半整數(1/2,3/2…)的粒子統稱為費米子,服從費米-狄拉克統計。費米子滿足泡利不相容原理,即不能兩個以上的費米子出現在相同的量子態中。 輕子,核子和超子的自旋都是1/2,因而都是費米子。自旋為3/2,5/2,7/2等的共振粒子也是費米子。 另見玻色子

1 費米子 -簡介

 
費米子費米子
費米子費米子:三代夸克及三代輕子-結構模型圖
費米子(fermion):費米子是依隨費米-狄拉克統計、角動量的自旋量子數為半奇數整數倍的粒子。費米子遵從泡利不相容原理。得名於義大利物理學家費米。

例如:夸克

輕子:包括電子、渺子、陶子及對應的反粒子、三種中微子及對應的三種反中微子。

中子、質子:都是由三種夸克組成,自旋為1/2。

奇數個核子組成的原子核。(因為中子、質子都是費米子,故奇數個核子組成的原子核自旋是半整數。)

由全同費米子組成的孤立系統,處於熱平衡時,分佈在能級εi的粒子數為,Ni=gi/(e^(α+βεi)+1)。α為拉格朗日乘子、β=1/(kT),有體系溫度,粒子密度和粒子質量決定。εi為能級i的能量,gi為能級的簡併度。 

費米子中子、質子:都是由三種夸克組成,自旋為1/2

 

費米子費米子

根據自旋倍數的不同,科學家把基本粒子分為玻色子和費米子兩大類。費米子是像電子一樣的粒子,有半整數自旋(如1/2,3/2,5/2等);而玻色子是像光子一樣的粒子,有整數自旋(如0,1,2等)。

這種自旋差異使費米子和玻色子有完全不同的特性。沒有任何兩個費米子能有同樣的量子態:它們沒有相同的特性,也不能在同一時間處於同一地點;而玻色子卻能夠具有相同的特性。

基本粒子中所有的物質粒子都是費米子,是構成物質的原材料(如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子);而傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、W和Z玻色子)都是玻色子。費米子(fermion):自旋為半整數的粒子。比如電子、質子、中子等以及其反粒子。它們符合泡利不相容原理,以及費米-狄拉克統計:

由全同費米子組成的孤立系統,處於熱平衡時,分佈在能級εi的粒子數為,ni=gi/(e^(α+βεi)+1)。α為拉格朗日乘子、β=1/(kt),有體系溫度,粒子密度和粒子質量決定。εi為能級i的能量,gi為能級的簡併度。

費米子玻色子:光子-內部結構模型圖

 

費米子費米子-中子及質子結構圖

費米子玻色子:介子-內部結構模型圖
費米子費米子:中微子,電子-內部結構模型圖

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W和Z玻色子-內部結構模型圖W和Z玻色子-內部結構模型圖

 

費米子玻色子:膠子-內部結構模型圖

2 費米子 -性質

在一組由全同粒子組成的體系中,如果在體系的一個量子態(即由一套量子數所確定的微觀狀態)上只容許容納一個粒子,這種粒子稱為費米子。費米子所遵循的統計法稱為費米統計法。費米統計法的分佈函數為式中n(ε)為體系在溫度T達熱平衡時處於能態ε的粒子數;α為溫度和粒子總數的函數。

3 費米子 -由來

費米子費米子
費米子,得名於義大利物理學家費米.

玻色子是依隨玻色-愛因斯坦統計,自旋為整數的粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理,在低溫時可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。玻色子包括:.膠子-強相互作用的媒介粒子,自旋為1,有8種;光子-電磁相互作用的媒介粒子,自旋為1,只有1種這些基本粒子在宇宙中的「用途」可以這樣表述:構成實物的粒子(輕子和重子)和傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、w和z玻色子)。在這樣的一個量子世界里,所有的成員都有標定各自基本特性的四種量子屬性:質量、能量、磁矩和自旋。

 這四種屬性當中,自旋的屬性是最重要的,它把不同將粒子王國分成截然不同的兩類,就好像這個世界上因為性別將人類分成了男人和女人一樣意義重大。粒子的自旋不像地球自轉那樣是連續的,而是是一跳一跳地旋轉著的。根據自旋倍數的不同,科學家把基本粒子分為玻色子和費米子兩大類。費米子是像電子一樣的粒子,有半整數自旋(如1/2,3/2,5/2等);而玻色子是像光子一樣的粒子,有整數自旋(如0,1,2等)。

費米子圖中除:電子,微中子(中微子)為費米子,餘皆玻色子

這種自旋差異使費米子和玻色子有完全不同的特性。沒有任何兩個費米子能有同樣的量子態:它們沒有相同的特性,也不能在同一時間處於同一地點;而玻色子卻能夠具有相同的特性。

基本粒子中所有的物質粒子都是費米子,是構成物質的原材料(如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子);而傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、w和z玻色子)都是玻色子。 

4 費米子 -費米子凝聚態

費米子費米子
第六種物質形態誕生

人類生存的世界,是一個物質的世界。過去,人們只知道物質有三態,即氣態、液態和固態。20世紀中期,科學家確認物質有第四態,即等離子體態(plasma)。1995年,美國標準技術研究院和美國科羅拉多大學的科學家組成的聯合研究小組,首次創造出物質的第五態,即「玻色—愛因斯坦凝聚態」。為此,2001年度諾貝爾物理學獎授予了負責這項研究的三位科學家。

2004年1月29日,又是這個聯合研究小組宣布,他們創造出物質的第六種形態———費米子凝聚態(fermioniccondensate)。消息傳出,國際物理學界為之振奮。專家們認為,這一成果為人類認識物質世界打開了又一扇大門,具有重大的理論和實踐意義,將成為年度重大科技成果之一。

研究小組負責人德博拉·金今年30歲,2003年獲得美國麥克阿瑟基金會頒發的「大天才」獎。她表示,這項成果有助於下一代超導體的誕生。而下一代超導體技術可在電能輸送、超導磁懸浮列車、超導計算機、地球物理勘探、生物磁學、高能物理研究等眾多領域和學科中大顯身手。

費米子費米子
幾種物質形態的區別

通常所見的物質是由分子、原子構成的。處於氣態的物質,其分子與分子之間距離很遠。而構成液態物質的分子彼此靠得很近,其密度要比氣態的大得多。固態物質的構成元素是以原子狀態存在的,原子一個挨著一個,相互牽拉,這就是固體比液體硬的原因。

被激發的電離氣體達到一定的電離度之後便處於導電狀態。電離氣體中每一帶電粒子的運動都會影響到其周圍帶電粒子,同時也受到其他帶電粒子的約束。由於電離氣體內正負電荷數相等,這種氣體狀態被稱為等離子體態。

所謂玻色—愛因斯坦凝聚,是科學巨匠愛因斯坦在70年前預言的一種新物態。這裡的「凝聚」與日常生活中的凝聚不同,它表示原來不同狀態的原子突然「凝聚」到同一狀態。玻色—愛因斯坦凝聚態物質由成千上萬個具有單一量子態的超冷粒子的集合,其行為像一個超級大原子,由玻色子構成。這一物質形態具有的奇特性質,在晶元技術、精密測量和納米技術等領域都有美好的應用前景。

費米子凝聚態是怎樣創造出來的

由於沒有任何兩個費米子能擁有相同的量子態,費米子的凝聚一直被認為不可能實現。去年,物理學家找到了一個克服以上障礙的方法,他們將費米子成對轉變成玻色子。費米子對起到了玻色子的作用,所以可讓氣體突然冷凝至玻色—愛因斯坦凝聚態。這一研究為創造費米子凝聚態鋪平了道路。

目前,從事費米子凝聚態研究的科學家們秉承著「大膽假設、小心求證」的科學精神,慎重地向這塊未知的科學領域推進。

5 費米子 -參考資料

1.http://www.girler.com/

2.http://www.zd9999.com/slh/detail.asp?id=862

 3.http://news.xinhuanet.com/world/2004-12/17/content_2347736.htm

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