費米子（費米子＋玻色子=物質）

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原子核物理

在一組由全同組成的中，如果在體系的一個(即由一套量子數所确定的狀态)上隻容許容納一個粒子，這種粒子稱為費米子。或者說為半整數(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态中。，和超子的自旋都是1/2，因而都是費米子。為3/2，5/2，7/2等的共振粒子也是費米子。中子、質子都是由三種組成，自旋為1/2。奇數個組成的。因為中子、質子都是費米子，故奇數個組成的自旋是半整數。

• 中文名

  費米子

• 外文名

  fermion

• 特點

  遵守泡利不相容原理

• 屬性

  質量、能量、磁矩和自旋

• 例子

  中子，質子，電子等

費米子(fermion):費米子是依随、角動量的為半奇數整數倍的粒子。

費米子得名于意大利物理學家費米，遵從泡利不相容原理。根據标準理論，費米子均是由一批基本費米子組成的，而基本費米子則不可能分解為更細小的粒子。

基本費米子分為 2 類:誇克和。而這 2 類基本費米子，又分為合共 24 種味道 (flavour):12 種誇克:包括上誇克 (u)、下誇克 (d)、奇誇克 (s)、(c)、底誇克 (b)、頂誇克 (t)，及它們對應的 6 種。 12 種:包括電子 (e)、渺子 (μ)、陶子 (τ)、、中微子νe、νμ、ντ，及對應的 6 種，包括 3 種反。中子、質子:都是由三種誇克組成，為1/2。誇克:上誇克 (u)、下誇克 (d)、奇誇克 (s)、粲(càn)誇克 (c)、底誇克 (b)、頂誇克 (t)，及它們對應的 6 種。

在一組由全同粒子組成的體系中，如果在體系的一個量子态(即由一套量子數所确定的微觀狀态)上隻容許容納一個粒子，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。費米統計法的分布為式中n(ε)為體系在溫度T達熱平衡時處于能态ε的粒子數;α為溫度和粒子總數的函數。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是半整數。)由全同費米子組成的孤立，處于時，分布在能級εi的粒子數為，Ni=gi/(e^(α+βεi)+1) 。α為、β=1/(kT)，有體系溫度，和粒子質量決定。εi為i的能量，gi為能級的。

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:它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處于同一地點;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、組成質子和中子的誇克、);而傳遞作用力的粒子(、、、W和Z玻色子)都是玻色子。和費米子是物質世界的兩種存在，玻色子和費米子正好和中國古代的陰陽太極思想一緻，即陰物質是波色子，是物質存在的基礎，陽物質是費米子，是物質存在的形式，我們現實世界存在就是以陰物質存在的基礎而表現出陽物質形式。

第六種物質形态誕生

人類生存的世界，是一個物質的世界。過去，人們隻知道物質有三态，即、和。20世紀中期，科學家确認物質有第四态，即等離子體态(plasma)。1995年，美國标準技術研究院和美國的科學家組成的聯合研究小組，首次創造出物質的，即"玻色-愛因斯坦凝聚态"。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态---(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，将成為年度重大科技成果之一。

研究小組負責人德博拉·金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，這項成果有助于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、、生物磁學、高能物理研究等衆多領域和學科中大顯身手。

形态的區别

通常所見的物質是由分子、原子、離子構成的。處于氣态的物質，其分子與分子之間距離很遠。而構成液态物質的分子彼此靠得很近，其密度要比氣态的大得多。固态物質的構成元素是以原子或離子狀态存在的，原子或離子一個挨着一個，相互牽拉，這就是比液體硬的原因。

被激發的電離氣體達到一定的電離度之後便處于導電狀态。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。由于電離氣體内正負電荷數相等，這種氣體狀态被稱為等離子體态。

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态。這裡的"凝聚"與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀态的原子突然"凝聚"到同一狀态。玻色-愛因斯坦凝聚态物質由成千上萬個具有單一量子态的超冷粒子的集合，其行為像一個超級大原子，由玻色子構成。這一物質形态具有的奇特性質，在芯片技術、精密測量和納米技術等領域都有美好的應用前景。

創造

由于沒有任何兩個費米子能擁有相同的量子态，費米子的凝聚一直被認為不可能實現。物理學家找到了一個克服以上障礙的方法，他們将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-愛因斯坦凝聚态。這一研究為創造費米子凝聚态鋪平了道路。

從事費米子凝聚态研究的科學家們秉承着"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。

1937年，随着量子力學的興起，意大利理論物理學家Ettore Majorana提出可能存在一種新型的奇特粒子，即名為Majorana費米子的粒子。經過75年的追尋，研究人員終于發現了Majorana費米子存在的一個可靠證據。而這一發現就如同找到了一把通往拓撲量子計算時代的 "鑰匙"。

早在Majorana之前，奧地利物理學家ErwinSchrodinger就提出了描寫量子行動和互動的方程式。英國物理學家Paul Dirac點綴了該方程式，使其能夠适用于費米子，并且将量子力學和愛因斯坦的相對論結合在了一起。同時Dirac的研究還指出了反物質的存在，并暗示某些粒子可以作為其本身的反粒子，如光子，但費米子卻被認為并非此類粒子。後來，Majorana延伸了Dirac方程式，認為可能存在一種新的費米子能夠作為其本身的反粒子，這種粒子就是Majorana費米子。然而，Majorana費米子始終披着神秘面紗，從20世紀到21世紀，全世界物理學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粒子的要求。

幾十年過去了，理論物理學家發現調整大量電子的移動也許能夠模仿Majorana費米子，而且，被稱為"準粒子"的這些集體運動的表現與同類型的基本粒子非常像。日前，荷蘭代爾夫特理工大學物理學家Leo Kouwenhoven和同事發現了這些準粒子的迹象，并将研究報告在線發表在《科學》上。

Kouwenhoven研究小組專門設計制造了實驗使用的晶體管。早前的理論假設就提到，如果其中一個電極是超導體，并且電流在磁場中流過一個特殊的半導體納米線，就可能促使電子在納米線的另一端表現得像Majorana費米子一般。理論還進一步指出，如果研究者試圖在磁場外從标準電極中輸送電流到超導電極，電子可能在超導體中反彈，因此超導電極中檢測不到電流。但是，如果磁場開啟，将能觸發Majorana費米子的存在，這樣電子将會進入超導體，并在電流中出現跳躍。Kouwenhoven研究小組則發現了這一電流尖峰。而且，當研究人員改變誘發Majorana費米子的任何一個條件時，例如關閉磁場，用金屬電極更換超導電極，第二個電極中的電流尖峰就會消失不見。

然而，這一結果并不能直接證實Majorana費米子的發現。美國加利福尼亞大學理論物理學家Jason Alicea認為，這個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Majorana費米子的存在。如果找到了這種"神奇粒子"，将使在固體中實現拓撲量子計算成為可能，人類也将進入拓撲量子計算時代。因為當相互移動兩個Majorana費米子時，它們能夠"記得"自己以前的位置，這一性質可以用來編碼量子級别數據。

四費米子作用理論認為，是弱流與弱流的相互作用。每一個弱流由正反兩個費米子構成，因此是四個費米子的相互作用。

1、将不同粒子參與的弱相互作用統一為普适的相互作用。理論隻需要一個普适的相互作用常數。

2、弱流是帶有手征的而不是手征變換不變的，解釋了弱相互作用對空間反演對稱性的破壞。

四費米子相互作用後來被弱相互作用的規範理論取代。

重費米子體系主要包括一些含有稀土金屬如、镱，锕族金屬元素如的金屬化合物。這類化合物在低溫下表現為超導，反鐵磁或鐵磁，或者費米液體的行為，但是有很高的比熱，通常認為有很高的質量，因此叫做重費米子材料。

費米氣體模型用來描述由大量組成的系統。

系統中的認為全同且不可分辨。費米子的的為半整數倍，其本征反對稱。導緻在費米子的某一個量子态上，最多隻能容納一個粒子(假設可以容納多個的話，因為粒子的不可分辨性，調換任意兩個粒子的位置，波函數應該不變，即Ψ = - Ψ，得Ψ=0，顯然矛盾了)。這就是費米子所遵守的泡利不相容原理。

在不相容原理的基礎上，可進一步按得出費米的分布規律:費米-狄拉克分布。(公式比較複雜，我就不打了)費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米氣體。

費米子氣體模型和模型也有一定聯系，費米氣遵守費米-狄拉克統計，而理想氣體模型中的粒子遵守麥克斯韋-波爾茲曼統計，在高溫和低密度條件下，能級數遠多于粒子數，費米-狄拉克分布過渡到經典的麥克斯韋-分布。