Fermion

Fermionen (benannt nach Enrico Fermi) sind Teilchen im physikalischen Sinn, die einen halbzahligen Spin besitzen (also , etc.), siehe Spin-Statistik-Theorem. Unter den Elementarteilchen gehören zu den Fermionen die Leptonen (z. B. das Elektron und das Neutrino) und die Quarks. Unter den zusammengesetzten Teilchen unter anderem alle Teilchen, die aus einer ungeraden Anzahl von Quarks aufgebaut sind, wie zum Beispiel alle Baryonen, zu denen auch das Proton und das Neutron gehören. Die Besetzungs-Statistik für Fermionen ist die Fermi-Dirac-Statistik. Fermionen grenzen sich ab von den Bosonen, die einen ganzzahligen Spin besitzen. Elementarteilchen sind immer entweder Boson oder Fermion.

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Fermionen gehorchen dem Pauli’schen Ausschlussprinzip, welches besagt, dass zwei Fermionen nicht gleichzeitig am gleichen Ort einen identischen Quantenzustand annehmen können. Allgemein gilt, dass die quantenmechanische Wellenfunktion zweier oder mehrerer gleichartiger Fermionen bei Vertauschung zweier Fermionen vollkommen antisymmetrisch sein muss, d. h. das Vorzeichen ändert sich.

Auf die Elektronen in einem Atom angewendet erklärt das Pauli-Prinzip, dass nicht alle Elektronen in den gleichen Grundzustand fallen können, sondern paarweise die verschiedenen Orbitale eines Atoms auffüllen. Erst durch diese Eigenschaft erklärt sich der systematische Aufbau des Periodensystems der chemischen Elemente.

Eine weitere Eigenschaft von Fermionen mit dem Spin 1/2 ist, dass ihre quantenmechanische Wellenfunktion nach einer Rotation um 360 Grad das Vorzeichen ändert; erst nach einer Rotation um 720 Grad (also zweimal komplett gedreht) ist der Ausgangszustand wieder hergestellt. Das lässt sich anschaulich mit einer Uhr vergleichen: erst nach einer Drehung des Stundenzeigers um 720° hat man wieder die gleiche Tageszeit.