Fermionid

Fermionid on osakesed, mis alluvad Fermi-Diraci statistikale.

Fermionide jaoks kehtib Pauli keeluprintsiip. Viimane tuleneb asjaolust, et nende olekuvektor on asümmeetriline: see muudab kahe osakese vahetamisel märki, mistõttu ei saa kaks identset osakest olla samal ajal ühes kvantolekus.

Vastavalt (relativistlikust) kvantväljateooriast tulenevale spinni-statistika teoreemile on fermionid poolearvulise spinniga osakesed kui bosonid on täisarvulise spinniga osakesed. Kõigi tuntud elementaarsete fermionide spinn on 1/2.

Fermionide nimetus tuleneb itaalia füüsiku Enrico Fermi nimest.

Üldine kirjeldus

Fermioni olulisim omadus on allumine Fermi-Diraci statistikale, mis tähendab, et nende vahel kehtib Pauli keeluprintsiip. See tähendab, et kaks fermioni ei saa olla samas kvantolekus. Seda saab ka sõnastada, et samas ruumipiirkonnas (piirkonnas, milles kahe fermioni lainefunktsioonid kattuvad) ei saa kaks fermioni olla samas energeetilises olekus. Selle põhimõtte tuntuimaks näiteks on elektronide paiknemine aatomi elektronkattes. Elektronid ei saa koguneda kõik ümber aatomituuma, vaid iga järgmine elektron peab asuma ühe ühiku võrra kõrgemas energeetilises olekus. Selle tõttu jagunevad elektronid elektronkattes elektronkihtide, alamelektronkihtide ja aatomorbitaalide vahel.

Pauli keeluprintsiip annab fermionidest koosnevale ainele tema kõvaduse. Kui Pauli keeluprintsiipi ei oleks, siis võiks maakera teoreetiliselt kokku vajuda üheks punktiks. Seega nimetatakse fermione mõnikord aine koostisosadeks ja bosoneid (mis võivad ühte punkti koonduda) nimetatakse jõu ehk kiirguse koostisosadeks.

Fundamentaalsed fermionid

Elementaarsed fermionid on praegu teada olevalt aine vähimad osakesed. Nende spinn on 1/2. Fundamentaalsed fermionid jagunevad leptoniteks ja kvarkideks.

Fermionid

	Esimene põlvkond		Teine põlvkond		Kolmas põlvkond
Kvargid	u-kvark	$u\,$	c-kvark	$c\,$	t-kvark	$t\,$
	d-kvark	$d\,$	s-kvark	$s\,$	b-kvark	$b\,$
Leptonid	Elektronneutriino	$\nu _{e}\,$	Müüneutriino	$\nu _{\mu }\,$	Tauneutriino	$\nu _{\tau }\,$
	Elektron	$e\,$	Müüon	$\mu \,$	Tau-lepton	$\tau \,$

Liitosakestest fermionid

Tuntuimad liitosakestest fermionid on barüonid, mis koosnevad kolmest kvargist. Liitosakeste puhul määrab liitosakese spinni (mis on aditiivne kvantarv) koostisosade spinnide summa. Kui näiteks prootoni ja neutroni spinn on 1/2, siis näiteks deltabarüonide spinn on 3/2.

Ka aatomituumad ja aatomid võib jagada fermionideks ja bosoniteks sõltuvalt nende koostisest. Näiteks süsiniku C₁₂ aatomituum on boson, kuna ta koosneb paarisarvust fermionidest (seega summaarne spinn on täisarv). Küll aga on süsiniku isotoobi C₁₃ aatomituum fermion, kuna ta koosneb paaritust arvust fermionidest. Tuleb jälgida, et kuigi aatomituum võib olla fermion (näiteks vesiniku aatomituum), siis aatomi klassifitseerimiseks peame liitma aatomituuma spinnile ka elektronide spinnid. Seega on näiteks elektriliselt neutraalne vesiniku aatom hoopis boson.

Liitosakese spinn määrab osakese käitumist ainult suurel (osakese enda mõõtmetega võrreldes) kaugusel liitosakesest. See tähendab, et me peame olema osakesest piisavalt kaugel, et ta oleks meie jaoks seotud olekus. Osakese mõõtmetega samas suurusjärgus oleval kaugusel hakkavad osakese koostisosad juba iseseisvalt väliskeskkonda mõjutama.