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フェルミ粒子

フェルミ粒子(-りゅうし)は、フェルミオン(Fermion)とも呼ばれ、スピン角運動量が半整数(1/2,3/2,5/2・・・)の量子力学的粒子であり、代表は電子である。その名前は、イタリア＝アメリカの物理学者エンリコ・フェルミに由来する。

物理学的説明

場の量子論から、半整数スピンを持つ粒子は2つの同種粒子を入れ替えたとき波動関数の符号が変化しなければならないという性質がある。つまり同種の複数のフェルミ粒子からなる系の全波動関数は、どの2個の粒子の交換に対しても反対称となる。 つまり、系の全波動関数をψ、i番目の粒子の座標をxiとしたとき、

のようにi番目とj番目の粒子を入れ替えると、波動関数の正負が逆転する。

すなわち、2つのフェルミ粒子があってそれぞれの1粒子の波動関数がφ、χと表せるなら、2つのフェルミ粒子の全波動関数は単に

ψ(x1,x2) = φ(x1)χ(x2)

ではなく、この入れ替えについての性質から

ψ(x1,x2) = φ(x1)χ(x2) − φ(x2)χ(x1)

と表されなくてはならない。

仮に2つのフェルミ粒子が同じ1粒子波動関数をとると

ψ(x1,x2) = φ(x1)φ(x2) − φ(x2)φ(x1) = 0

2つのフェルミ粒子が同じ状態にある時は、ψ = 0という結果が得られる。 すなわち、フェルミ粒子は、1つの体系内で2個の粒子がある同じ量子状態になることが許されない。すなわち、フェルミ粒子はパウリの排他原理に従う。この規則から導かれる熱平衡状態にある同種のフェルミ粒子からなる体系が従う量子統計をフェルミ=ディラック統計という。

フェルミ粒子の例

フェルミ粒子に属する粒子には、クォークやレプトンである電子やミュー粒子、ニュートリノがある。 また、3つのクォークからなる複合粒子であるバリオンに属する陽子や中性子もフェルミ粒子である。

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表・話・編・歴 物理学における粒子の一覧 素粒子 フェルミ粒子 クォーク: u d c s t b レプトン: e−  e+  μ±  τ±  ニュートリノ（ν e ν μ ν τ） ボース粒子 ゲージ粒子: γ ウィークボソン（W±  Z0  ） g その他 ゴースト場 複合粒子 ハドロン バリオン/ハイペロン/核子: p p n Δ Λ Σ Ξ Ω 中間子: π K ρ J/ψ Υ その他 原子核 原子 分子 イオン 異種原子: ポジトロニウム ミューオニウム ハイパー核 仮説上の 素粒子 超対称性粒子 ボシーノ: ゲージーノ（フォティーノ ウィーノ ジーノ グルイーノ グラビティーノ） ヒッグシーノ ニュートラリーノ チャージーノ アクシーノ スフェルミオン: スクォーク スレプトン ゲージ粒子 重力子 Xボソン Yボソン W'ボソン Z'ボソン 位相欠陥 モノポール 宇宙ひも その他 アキシオン ディラトン ヒッグス粒子（H0 ） タキオン ステライルニュートリノ 仮説上の 複合粒子 異種ハドロン 異種バリオン: ペンタクォーク ダイバリオン 異種中間子: テトラクォーク ハイブリッドメソン グルーボール その他 中間子分子 準粒子 励起子 マグノン フォノン プラズモン ポラリトン ポーラロン

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