費(fèi)米子（角動(dòng)量的自旋量子數(shù)為半奇數(shù)整數(shù)倍的粒子）
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費(fèi)米子
角動(dòng)量的自旋量子數(shù)為半奇數(shù)整數(shù)倍的粒子
在一組由全同粒子組成的體系中，如果在體系的一個(gè)量子態(tài)（即由一套量子數(shù)所確定的微觀狀態(tài)）上只容許容納一個(gè)粒子，這種粒子稱為費(fèi)米子。或者說(shuō)自旋為半整數(shù)（1/2，3/2…）的粒子統(tǒng)稱為費(fèi)米子，服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。費(fèi)米子滿足泡利不相容原理，即不能兩個(gè)以上的費(fèi)米子出現(xiàn)在相同的量子態(tài)中。輕子，核子和超子的自旋都是1/2，因而都是費(fèi)米子。自旋為3/2，5/2，7/2等的共振粒子也是費(fèi)米子。中子、質(zhì)子都是由三種夸克組成，自旋為1/2。奇數(shù)個(gè)核子組成的原子核。因?yàn)橹凶印?a class="dict" href="/azsoft/sn2748366.html">質(zhì)子都是費(fèi)米子，故奇數(shù)個(gè)核子組成的原子核自旋是半整數(shù)。
簡(jiǎn)介
費(fèi)米子
三代夸克及三代輕子-結(jié)構(gòu)模型圖
費(fèi)米子(fermion)：費(fèi)米子是依隨費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)、角動(dòng)量的自旋量子數(shù)為半奇數(shù)整數(shù)倍的粒子。費(fèi)米子遵從泡利不相容原理。得名于意大利物理學(xué)家費(fèi)米。
例如：夸克
中子、質(zhì)子：都是由三種夸克組成，自旋為1/2。
奇數(shù)個(gè)核子組成的原子核。(因?yàn)橹凶?、質(zhì)子都是費(fèi)米子，故奇數(shù)個(gè)核子組成的原子核自旋是半整數(shù)。)
中子、質(zhì)子：都是由三種夸克組成，自旋為1/2
費(fèi)米子
根據(jù)自旋倍數(shù)的不同，科學(xué)家把基本粒子分為玻色子和費(fèi)米子兩大類。費(fèi)米子是像電子一樣的粒子，有半整數(shù)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(shù)自旋(如0，1，2等)。
這種自旋差異使費(fèi)米子和玻色子有完全不同的特性。沒(méi)有任何兩個(gè)費(fèi)米子能有同樣的量子態(tài)：它們沒(méi)有相同的特性，也不能在同一時(shí)間處于同一地點(diǎn)；而玻色子卻能夠具有相同的特性。
基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料(如輕子中的電子、組成質(zhì)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(fèi)米子(fermion)：自旋為半整數(shù)的粒子。比如電子、質(zhì)子、中子等以及其反粒子。它們符合泡利不相容原理，以及費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)：
由全同費(fèi)米子組成的孤立系統(tǒng)，處于熱平衡時(shí)，分布在能級(jí)εi的粒子數(shù)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(zhì)量決定。εi為能級(jí)i的能量，gi為能級(jí)的簡(jiǎn)并度。
玻色子:光子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
玻色子:介子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
費(fèi)米子:
W和Z玻色子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
膠子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
由來(lái)
費(fèi)米子
玻色子是依隨玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)，自旋為整數(shù)的粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理，在低溫時(shí)可以發(fā)生玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。玻色子包括：.膠子-強(qiáng)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(gòu)成實(shí)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(gè)量子世界里，所有的成員都有標(biāo)定各自基本特性的四種量子屬性：質(zhì)量、能量、磁矩和自旋。
這四種屬性當(dāng)中，自旋的屬性是最重要的，它把不同將粒子王國(guó)分成截然不同的兩類，就好像這個(gè)世界上因?yàn)樾詣e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(zhuǎn)那樣是連續(xù)的，而是是一跳一跳地旋轉(zhuǎn)著的。
圖中除:電子,微中子
費(fèi)米子凝聚態(tài)
費(fèi)米子
人類生存的世界，是一個(gè)物質(zhì)的世界。過(guò)去，人們只知道物質(zhì)有三態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。20世紀(jì)中期，科學(xué)家確認(rèn)物質(zhì)有第四態(tài)，即等離子體態(tài)(plasma)。1995年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和美國(guó)科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組，首次創(chuàng)造出物質(zhì)的第五態(tài)，即“玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)”。為此，2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的三位科學(xué)家。
2004年1月29日，又是這個(gè)聯(lián)合研究小組宣布，他們創(chuàng)造出物質(zhì)的第六種形態(tài)———費(fèi)米子凝聚態(tài)（fermioniccondensate）。消息傳出，國(guó)際物理學(xué)界為之振奮。專家們認(rèn)為，這一成果為人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界打開(kāi)了又一扇大門，具有重大的理論和實(shí)踐意義，將成為年度重大科技成果之一。
研究小組負(fù)責(zé)人德博拉·金今年30歲，2003年獲得美國(guó)麥克阿瑟基金會(huì)頒發(fā)的“大天才”獎(jiǎng)。她表示，這項(xiàng)成果有助于下一代超導(dǎo)體的誕生。而下一代超導(dǎo)體技術(shù)可在電能輸送、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、地球物理勘探、生物磁學(xué)、高能物理研究等眾多領(lǐng)域和學(xué)科中大顯身手。
幾種物質(zhì)形態(tài)的區(qū)別
通常所見(jiàn)的物質(zhì)是由分子、原子構(gòu)成的。處于氣態(tài)的物質(zhì)，其分子與分子之間距離很遠(yuǎn)。而構(gòu)成液態(tài)物質(zhì)的分子彼此靠得很近，其密度要比氣態(tài)的大得多。固態(tài)物質(zhì)的構(gòu)成元素是以原子狀態(tài)存在的，原子一個(gè)挨著一個(gè)，相互牽拉，這就是固體比液體硬的原因。
被激發(fā)的電離氣體達(dá)到一定的電離度之后便處于導(dǎo)電狀態(tài)。電離氣體中每一帶電粒子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)影響到其周圍帶電粒子，同時(shí)也受到其他帶電粒子的約束。由于電離氣體內(nèi)正負(fù)電荷數(shù)相等，這種氣體狀態(tài)被稱為等離子體態(tài)。
所謂玻色—愛(ài)因斯坦凝聚，是科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦在70年前預(yù)言的一種新物態(tài)。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)由成千上萬(wàn)個(gè)具有單一量子態(tài)的超冷粒子的集合，其行為像一個(gè)超級(jí)大原子，由玻色子構(gòu)成。這一物質(zhì)形態(tài)具有的奇特性質(zhì)，在芯片技術(shù)、精密測(cè)量和納米技術(shù)等領(lǐng)域都有美好的應(yīng)用前景。
費(fèi)米子凝聚態(tài)是怎樣創(chuàng)造出來(lái)的
由于沒(méi)有任何兩個(gè)費(fèi)米子能擁有相同的量子態(tài)，費(fèi)米子的凝聚一直被認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)。去年，物理學(xué)家找到了一個(gè)克服以上障礙的方法，他們將費(fèi)米子成對(duì)轉(zhuǎn)變成玻色子。費(fèi)米子對(duì)起到了玻色子的作用，所以可讓氣體突然冷凝至玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。這一研究為創(chuàng)造費(fèi)米子凝聚態(tài)鋪平了道路。
目前，從事費(fèi)米子凝聚態(tài)研究的科學(xué)家們秉承著“大膽假設(shè)、小心求證”的科學(xué)精神，慎重地向這塊未知的科學(xué)領(lǐng)域推進(jìn)。
相關(guān)資料
費(fèi)米子
早在Majorana之前，奧地利物理學(xué)家Erwin Schrodinger就提出了描寫量子行動(dòng)和互動(dòng)的方程式。英國(guó)物理學(xué)家Paul Dirac點(diǎn)綴了該方程式，使其能夠適用于費(fèi)米子，并且將量子力學(xué)和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論結(jié)合在了一起。同時(shí)Dirac的研究還指出了反物質(zhì)的存在，并暗示某些粒子可以作為其本身的反粒子，如光子，但費(fèi)米子卻被認(rèn)為并非此類粒子。后來(lái)，Majorana延伸了Dirac方程式，認(rèn)為可能存在一種新的費(fèi)米子能夠作為其本身的反粒子，這種粒子就是Majorana費(fèi)米子。然而，Majorana費(fèi)米子始終披著神秘面紗，從20世紀(jì)到21世紀(jì)，全世界物理學(xué)家一直在努力尋找它。Majorana也曾提出，一種中微子——電中性粒子的些微聚集，可能剛好符合他提出的這種假設(shè)粒子的要求。
幾十年過(guò)去了，理論物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)調(diào)整大量電子的移動(dòng)也許能夠模仿Majorana費(fèi)米子，而且，被稱為“準(zhǔn)粒子”的這些集體運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)與同類型的基本粒子非常像。日前，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)物理學(xué)家Leo Kouwenhoven和同事發(fā)現(xiàn)了這些準(zhǔn)粒子的跡象，并將研究報(bào)告在線發(fā)表在《科學(xué)》上。
Kouwenhoven研究小組專門設(shè)計(jì)制造了實(shí)驗(yàn)使用的晶體管。早前的理論假設(shè)就提到，如果其中一個(gè)電極是超導(dǎo)體，并且電流在磁場(chǎng)中流過(guò)一個(gè)特殊的半導(dǎo)體納米線，就可能促使電子在納米線的另一端表現(xiàn)得像Majorana費(fèi)米子一般。理論還進(jìn)一步指出，如果研究者試圖在磁場(chǎng)外從標(biāo)準(zhǔn)電極中輸送電流到超導(dǎo)電極，電子可能在超導(dǎo)體中反彈，因此超導(dǎo)電極中檢測(cè)不到電流。但是，如果磁場(chǎng)開(kāi)啟，將能觸發(fā)Majorana費(fèi)米子的存在，這樣電子將會(huì)進(jìn)入超導(dǎo)體，并在電流中出現(xiàn)跳躍。Kouwenhoven研究小組則發(fā)現(xiàn)了這一電流尖峰。而且，當(dāng)研究人員改變誘發(fā)Majorana費(fèi)米子的任何一個(gè)條件時(shí)，例如關(guān)閉磁場(chǎng)，用金屬電極更換超導(dǎo)電極，第二個(gè)電極中的電流尖峰就會(huì)消失不見(jiàn)。
然而，這一結(jié)果并不能直接證實(shí)Majorana費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)理論物理學(xué)家Jason Alicea認(rèn)為，這個(gè)荷蘭研究小組為消除其他可能的解釋做出了非常引人矚目的工作。但是，他也指出，該研究并不能完全證實(shí)Majorana費(fèi)米子的存在。如果找到了這種“神奇粒子”，將使在固體中實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算成為可能，人類也將進(jìn)入拓?fù)淞孔佑?jì)算時(shí)代。因?yàn)楫?dāng)相互移動(dòng)兩個(gè)Majorana費(fèi)米子時(shí)，它們能夠“記得”自己以前的位置，這一性質(zhì)可以用來(lái)編碼量子級(jí)別數(shù)據(jù)。
其他相關(guān)理論
四費(fèi)米子作用
四費(fèi)米子作用理論認(rèn)為，弱相互作用是弱流與弱流的相互作用。每一個(gè)弱流由正反兩個(gè)費(fèi)米子構(gòu)成，因此是四個(gè)費(fèi)米子的相互作用。
四費(fèi)米子相互作用后來(lái)被弱相互作用的規(guī)范理論取代。
費(fèi)米氣體模型
費(fèi)米氣體模型用來(lái)描述由大量費(fèi)米子組成的系統(tǒng)。
系統(tǒng)中的粒子認(rèn)為全同且不可分辨。費(fèi)米子的角動(dòng)量的自旋量子數(shù)為半奇數(shù)整數(shù)倍，其本征波函數(shù)反對(duì)稱。導(dǎo)致在費(fèi)米子的某一個(gè)量子態(tài)上，最多只能容納一個(gè)粒子（假設(shè)可以容納多個(gè)的話的話，因?yàn)榱Ｗ拥牟豢煞直嫘?，調(diào)換任意兩個(gè)粒子的位置，波函數(shù)應(yīng)該不變，即Ψ=-Ψ，得Ψ=0，顯然矛盾了）。這就是費(fèi)米子所遵守的泡利不相容原理。
在不相容原理的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步按熱力學(xué)定律得出費(fèi)米的分布規(guī)律：費(fèi)米-狄拉克分布。（公式比較復(fù)雜，我就不打了）費(fèi)米氣體中的所有粒子服從該分布。金屬自由電子氣就是典型的費(fèi)米氣體。
費(fèi)米子氣體模型和理想氣體模型也有一定聯(lián)系，費(fèi)米氣遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，而理想氣體模型中的粒子遵守麥克斯韋-波爾茲曼統(tǒng)計(jì)，在高溫和低密度條件下，能級(jí)數(shù)遠(yuǎn)多于粒子數(shù)，費(fèi)米-狄拉克分布過(guò)渡到經(jīng)典的麥克斯韋-玻耳茲曼分布。
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這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫！
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