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Physique: Définition de Fermion

Physique: Définition de Fermion


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En physique des particules, un fermion est un type de particule qui obéit aux règles de la statistique de Fermi-Dirac, à savoir le principe d’exclusion de Pauli. Ces fermions ont aussi un spin quantique with contient une valeur semi-entière, telle que 1/2, -1/2, -3/2, etc. (Par comparaison, il existe d'autres types de particules, appelées bosons, qui ont un spin entier, tel que 0, 1, -1, -2, 2, etc.)

Ce qui rend les Fermions si spéciaux

Les fermions sont parfois appelés particules de matière, car ce sont les particules qui constituent la majeure partie de ce que nous considérons comme de la matière physique dans notre monde, y compris les protons, les neutrons et les électrons.

Le physicien Wolfgang Pauli avait prédit pour la première fois les fermions en 1925. Il tentait de comprendre comment expliquer la structure atomique proposée en 1922 par Niels Bohr. Bohr avait utilisé des preuves expérimentales pour construire un modèle atomique contenant des couches d'électrons, créant des orbites stables permettant aux électrons de se déplacer autour du noyau de l'atome. Bien que cela corresponde bien à la preuve, il n'y avait aucune raison particulière pour laquelle cette structure serait stable et c'est l'explication que Pauli essayait d'atteindre. Il s'est rendu compte que si vous attribuez des nombres quantiques (nommés plus tard spin quantique) à ces électrons, il semblait alors y avoir une sorte de principe selon lequel aucun des électrons ne pouvait être exactement dans le même état. Cette règle est connue sous le nom de principe d'exclusion de Pauli.

En 1926, Enrico Fermi et Paul Dirac ont essayé indépendamment de comprendre d'autres aspects d'un comportement apparemment contradictoire des électrons et ont ainsi établi une méthode statistique plus complète de traitement des électrons. Bien que Fermi ait d'abord développé le système, ils étaient suffisamment proches et tous deux ont fait suffisamment de travail pour que la postérité ait surnommé leur méthode statistique Statistique de Fermi-Dirac, bien que les particules elles-mêmes portent le nom de Fermi lui-même.

Le fait que les fermions ne puissent pas tous s'effondrer dans le même état - là encore, c'est le sens ultime du principe d'exclusion de Pauli - est très important. Les fermions dans le soleil (et toutes les autres étoiles) s'effondrent ensemble sous la force de gravité intense, mais ils ne peuvent pas s'effondrer complètement à cause du principe d'exclusion de Pauli. Il en résulte une pression générée qui pousse contre l’effondrement gravitationnel de la matière de l’étoile. C’est cette pression qui génère la chaleur solaire qui alimente non seulement notre planète, mais aussi une grande partie de l’énergie du reste de notre univers… y compris la formation même d’éléments lourds, décrite par la nucléosynthèse stellaire.

Fermions fondamentaux

Il y a un total de 12 fermions fondamentaux - des fermions qui ne sont pas constitués de particules plus petites - qui ont été identifiés expérimentalement. Ils se divisent en deux catégories:

  • Les quarks - Les quarks sont les particules constituant les hadrons, tels que les protons et les neutrons. Il existe 6 types de quarks distincts:
      • Up Quark
    • Charme Quark
    • Top Quark
    • Down Quark
    • Étrange quark
    • Quark Bottom
  • Leptons - Il existe 6 types de leptons:
      • Électron
    • Neutrino électronique
    • Muon
    • Muon neutrino
    • Tau
    • Tau Neutrino

En plus de ces particules, la théorie de la supersymétrie prédit que chaque boson aurait une contrepartie fermionique jusque-là non détectée. Puisqu'il y a 4 à 6 bosons fondamentaux, cela suggère que - si la supersymétrie est vraie - il y a encore 4 à 6 fermions fondamentaux qui n'ont pas encore été détectés, probablement parce qu'ils sont extrêmement instables et se sont décomposés en d'autres formes.

Fermions composites

Au-delà des fermions fondamentaux, une autre classe de fermions peut être créée en combinant des fermions (éventuellement avec des bosons) pour obtenir une particule résultante avec un spin semi-entier. Les tours quantiques s’additionnant, certaines mathématiques de base montrent que toute particule contenant un nombre impair de fermions va se retrouver avec un spin demi-entier et sera donc un fermion lui-même. Quelques exemples incluent:

  • Baryons - Ce sont des particules, comme les protons et les neutrons, qui sont composées de trois quarks joints. Étant donné que chaque quark a un tour demi-entier, le baryon résultant aura toujours un tour demi-entier, quels que soient les trois types de quarks réunis pour le former.
  • Hélium-3 - Contient 2 protons et 1 neutron dans le noyau, ainsi que 2 électrons qui l'entourent. Comme il y a un nombre impair de fermions, le spin résultant est une valeur semi-entière. Cela signifie que l'hélium-3 est également un fermion.

Anne Marie Helmenstine, Ph.D.



Commentaires:

  1. Sativola

    attrapez le plus!

  2. Helaku

    Rien de sérieux, je pense.

  3. Tihalt

    Étain!

  4. Konrad

    Je ne peux pas participer à la discussion pour le moment - il n'y a pas de temps libre. Je serai libre - j'exprimerai certainement mon opinion.

  5. Johannes

    Je pense que vous n'avez pas raison. Je suis assuré. Discutons. Écrivez-moi dans PM, nous communiquerons.

  6. Kekora

    Je considère que vous vous trompez. Envoyez-moi un courriel à PM, nous parlerons.

  7. Benwick

    merci beaucoup.



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