Unterschied zwischen Fermionen und Bosonen

Hauptunterschied - Fermions vs Boson

In der Physik werden Partikel aufgrund ihrer Eigenschaften in zwei Gruppen eingeteilt. Sie sind als Fermionen und Bosonen bekannt. Fermionen sind Spin-Halbpartikel und sie folgen dem Pauli-Ausschlussprinzip. Aber Bosonen sind ganzzahlige Spinpartikel, die nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip gehorchen. Im Standardmodell, Fermionen sind die grundlegenden Teilchen der Materie. Bosonen hingegen gelten als Kraftträger. Kerne mit einer ungeraden Anzahl von Nukleonen sind zusammengesetzte Fermionen, während Kerne mit einer geraden Anzahl von Nukleonen zusammengesetzte Bosonen sind. Die Eigenschaften von Fermionen und Bosonen sind besonders bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt sehr unterschiedlich. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf den Unterschied zwischen Fermionen und Bosonen.

Was sind Fermionen?

Fermionen sind halbzahlige Teilchen und werden von der Fermi-Dirac-Statistik beschrieben. Sie gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip. Zwei identische Fermionen besetzen also nicht gleichzeitig den gleichen Quantenzustand.

Grundsätzlich lassen sich Fermionen in zwei Gruppen einteilen: elementare und zusammengesetzte Fermionen. Elementare Fermionen sind Leptonen (Elektron, Elektron-Neutrino, Myon, Myon-Neutrino, Tau und Tau-Neutrino) und Quarks (oben, unten, oben, unten, seltsam und charmant). Hadronen (Neutronen, Protonen) mit einer ungeraden Anzahl von Quarks und Kerne aus einer ungeraden Anzahl von Nukleonen (Bsp .:  Kerne enthalten sechs Protonen und sieben Neutronen) zusammengesetzte Fermionen. Atome wie He-3 (enthalten zwei Protonen, ein Neutron und zwei Elektronen) sind auch zusammengesetzte Fermionen.

Elementare Fermionen sind die Grundbausteine ​​von Materie und Antimaterie.

Was sind Bosonen?

Bosonen sind identische Teilchen mit null oder ganzzahligen Spins. Bosonen können in zwei Gruppen eingeteilt werden: elementare Bosonen und zusammengesetzte Bosonen. Im Gegensatz zu Fermionen befolgen Bosonen nicht das Pauli-Ausschlussprinzip. Mit anderen Worten, eine beliebige Anzahl von Bosonen kann den gleichen Quantenzustand einnehmen. Verhaltensweisen von Bosonen werden in der Bose-Einstein-Statistik beschrieben. Das Standardmodell besteht nur aus fünf Elementarbosonen. Sie sind nämlich das Higgs-Boson, Gluon, Photon, Z und  Bosonen. Das Higgs-Boson haben keine elektrische Ladung und Null Spin ist das einzige Skalarboson. Die letzten vier Bosonen sind bekannt als Bosonen messen oder Kraftträger, da sie für grundlegende Wechselwirkungen verantwortlich sind. Das Gluon ist verantwortlich für die starke Wechselwirkung zwischen Partikeln aus Quarks. Photon ist das bekannteste Eichboson und ist für elektromagnetische Wechselwirkungen verantwortlich. Z und  schwache Wechselwirkung tragen. Außerdem wird das Vermittlungspartikel genannt graviton ist für die Gravitationsinteraktion verantwortlich. Das Standardmodell enthält jedoch kein Graviton. Die grundlegenden Wechselwirkungen, die mit den Eichbosonen verbunden sind, werden durch die Eichlehre beschrieben. 

Die Spins und elektrischen Ladungen der elementaren Bosonen sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Boson	Dreh	Aufladen	Interaktion
Z	1	0	Schwach
W-,W+	1	-, +	Schwach
Photon	1	0	Elektromagnetisch
Gluon	1	0	Stark
Graviton	2	0	Schwerkraft
Higgs	0	0	Masse

Die zusammengesetzten Teilchen; Mesonen (enthalten ein Quark und ein Antiquark) und Kerne mit gerader Massenzahl (He-4) sind zusammengesetzte Bosonen. Darüber hinaus werden einige Quasi-Teilchen wie Cooper-Paare und Phononen als Bosonen betrachtet.

Das Verhalten oder die Eigenschaften von Bosonen bei niedrigen Temperaturen unterscheiden sich signifikant von denen von Fermionen. Bei sehr niedrigen Temperaturen besetzen die meisten Bosonen den gleichen Quantenzustand. So kann ein Gas von Bosonen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, wobei fast alle Teilchen den niedrigsten Energiezustand einnehmen. In diesem Stadium ist die kinetische Energie des Gases vernachlässigbar. Dieses physikalische Phänomen ist bekannt als Bose-Einstein-Kondensation. Die Superfluidität von Gasen von Bosonen ist eine Folge der Bose-Einstein-Kondensation.

Unterschied zwischen Fermionen und Bosonen

Dreh

Fermionen: Fermionen haben einen halben ganzzahligen Spin.

Bosonen: Boons haben einen ganzheitlichen Spin.

Pauli-Ausschlussprinzip:

Fermionen: Fermionen gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip.

Bosonen: Bosonen gehorchen nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip.

Beispiele:

Fermionen: Beispiele sind Quarks (Charme), Leptonen (Elektron).

Bosonen: Beispiele umfassen H⁰, Graviton, Photon, Gluon, Z, .

Statistiken:

Fermionen: Die Eigenschaften von Fermionen werden in der Fermi-Dirac-Statistik beschrieben.

Bosonen: Eigenschaften von Bosonen werden durch die Bose-Einstein-Statistik beschrieben.

Elektrische Ladung der Elementarteilchen:

Fermionen: Elektron, Myon und Tau sind elektrisch geladene Leptonen. Ihre Neutrinos haben jedoch keine elektrische Ladung. Quarkpartikel haben fraktionierte elektrische Ladungen.

Bosonen: Elementare Bosonen tragen keine elektrische Ladung (außer W-Bosonen).

Verbundkerne:

Fermionen: Fermionen enthalten eine ungerade Anzahl von Nukleonen.

Bosonen: Bosonen enthalten eine gerade Anzahl von Nukleonen.