Fermiyon (1/2, 3/2 gibi spine sahip) yarım tam sayı açısal devinirliği olan atomaltı parçacıktır. Fermiyonlar, Fermi-Dirac istatistiklerine uyarlar. Kıyaslama yapılacak olunursa, diğer parçacık türü olan bozonların spinleri 1, 2, 3 gibi tam sayıdır.
|Fermi-Dirac istatistikleri fizik biliminin bir parçası olarak Pauli Dışarlama İlkesi’ne uyan eş parçacıkları içeren sistemdeki bir parçacığın enerjisini tanımlar.|
|Pauli Dışarlama İlkesi, bir atomda iki fermiyonun aynı anda tamamen aynı kuantum sayılarına sahip olamayacaklarını ifade eden prensiptir. Bu ilke atom çekirdeği etrafındaki elektronların ardışık yörüngelerde artmasını temel alır ve böylece maddenin aşırı yoğun bir duruma çökmesini engeller.|
Fermiyonlara zaman zaman madde parçacığı da denir; çünkü etrafımızda gördüğümüz her şey fermiyonlardan oluşur. Elektron, proton ve nötron da fermiyondur. Niels Bohr‘un 1922’de ortaya çıkardığı atom modelinin yapısını açıklamaya çalışan fizikçi Wolfgang Pauli 1925’te fermiyonların varlığını öngördü.
Bohr, atom çekirdeği etrafında hareket eden elektronların hareket edebilmesi için kararlı yörüngeler sağlayan elektron kabuklarının da dahil olduğu atom modelini inşa ederken deneysel kanıtlardan yararlandı. Ancak her ne kadar atomu açıklasa da, bu yapının neden kararlı olduğunu açıklamıyordu ve bu da Pauli’nin ortaya çıkarmaya çalıştığı şeydi.
Wolfgang Pauli elektronlara daha sonra kuantum spini olarak isimlendirilecek kuantum sayıları verdiğinde, hiçbir elektronun tamamen aynı anda aynı durumda olamayacağını öngören bir ilkenin ortaya çıktığını anladı. Bu kural bugün Pauli Dışarlama İlkesi olarak biliniyor. Pauli Dışarlama İlkesi’ne uyan her parçacık fermiyondur, uymayanlarsa bozondur. Yani bozonlar aynı anda aynı konumda bulunabilirler.
Pauli Dışarlama İlkesi’nin nihai anlamı çok önemlidir. Güneş ve diğer yıldızların içindeki fermiyonlar yoğun kütleçekim kuvvetiyle çöküyorlar, ancak tam olarak değil. Fermiyonlar aynı anda aynı durumda bulunamadığı için veya Pauli Dışarlama İlkesi’ne uydukları için yıldızdaki maddenin kütleçekimsel çökümüne direnen bir basınç oluşuyor.
Temel Fermiyonlar
Temel fermiyonlar kendilerinden daha küçük parçacıklardan oluşmayanlardır. 12 temel fermiyon vardır ve bunlar iki sınıfta incelenir.
- Kuarklar — Yukarı, tılsım, üst, aşağı, garip, alt.
- Leptonlar — Elektron, müon, tau, elektron-nötrino, müon-nötrino, tau-nötrino. (Elektron en çok bilinen leptondur.)
Süpersimetri, bozonların da bu temel fermiyonlara ek olarak kendi fermiyon eşlerinin olduğunu öngörür. Yani eğer süpersimetri doğru çıkarsa, temel fermiyonlar listesi daha da uzar.
Bileşik Fermiyonlar
Bileşik fermiyonlar bileşenlerine göre fermiyon ya da bozon olabilirler. Spin ve istatistik arasındaki ilişkiden dolayı, tek sayıda fermiyon içeren bir parçacığın kendisi de fermiyondur. Çünkü yine yarım tam sayı spini olacaktır.
- Baryonlar — proton ve nötronlar gibi, bir araya gelmiş kuarklardan oluşan parçacıklardır. Her kuarkın yarım tam sayı spini olduğundan, hangi üç kuarktan oluşursa oluşsun ortaya çıkan baryonlar her zaman yarım tam sayı spinli olurlar.
Örneğin Helyum-3 (3He) atomunun çekirdeği 2 proton, 1 nötrondan oluşur ve çekirdeğin etrafında dönen 2 elektron vardır. Fermiyonlar yarım tamsayı spinli olduğundan ortaya çıkan atomun spini de yarım tam sayı olur. Yani Helyum-3 bir fermiyondur.