Fermione
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In fisica quantistica i fermioni, così chiamati in onore del fisico italiano Enrico Fermi, sono una delle due classi fondamentali in cui si dividono le particelle: i fermioni e i bosoni. I fermioni si distinguono dai bosoni per il fatto di obbedire al principio di esclusione di Pauli:
- un singolo stato quantico non può essere occupato da più di un fermione,
mentre i bosoni sono invece al contrario liberi di affollare in gran numero uno stesso stato quantico.
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[modifica] Fermioni e simmetria
La proprietà di obbedire o meno al principio di esclusione di Pauli si traduce matematicamente nel fatto che i bosoni seguono la statistica di Bose-Einstein mentre i fermioni la statistica di Fermi-Dirac. Le conseguenze sono che bosoni e fermioni presentano proprietà diverse di simmetria sotto lo scambio di due particelle: un sistema composto di particelle identiche della classe bosonica si trova sempre in uno stato globale completamente simmetrico sotto lo scambio di due particelle, mentre un sistema composto di fermioni identici, al contrario, si trova sempre in uno stato anti-simmetrico sotto lo scambio di due fermioni.
La funzione d'onda totale di un sistema costituito da fermioni identici è perciò completamente antisimmetrica e cambia segno sotto lo scambio di due fermioni qualsiasi.
[modifica] Spin dei fermioni
Esiste un teorema, il teorema spin-statistica che lega lo spin delle particelle alla statistica alla quale esse devono obbedire. La tesi del teorema enuncia che particelle a spin intero sono necessariamente bosoni mentre quelle a spin semi-intero sono necessariamente fermioni.
[modifica] I fermioni nella fisica subnucleare
Nel modello standard vi sono due tipi di fermioni elementari: i quark e i leptoni.
Una particella composta (costituita da più particelle elementari, gli adroni) può essere un fermione o un bosone, a seconda del numero di fermioni che essa contiene:
- Particelle composte che contengono un numero pari di fermioni sono bosoni, come i mesoni, o il nucleo di un atomo di carbonio-12
- Particelle composte che contengono un numero dispari di fermioni sono fermioni, come i barioni, o il nucleo dell'atomo di carbonio-13.
Una particella composta può contenere un qualsiasi numero di bosoni, i quali non determinano la natura (fermionica o bosonica) della particella stessa, ciò perché tale proprietà dipende dal numero di spin totale (intero o meno).
È ovvio che il comportamento fermionico o bosonico di una particella composta (o sistema) si può notare solo a grande (comparata alle dimensioni del sistema) distanza. In prossimità, dove le strutture spaziali iniziano ad avere importanza, una particella composta (o sistema) si comporta secondo le leggi dei suoi costituenti. Per esempio, due atomi di elio non possono condividere lo stesso spazio se questo è confrontabile in dimensioni alla grandezza della struttura interna dell'atomo d'elio stesso (~10−10 m) - malgrado delle proprietà bosoniche dell'atomo di elio. Così, l'elio liquido ha una densità finita, confrontabile a quella della materia liquida ordinaria.
I fermioni elementari conosciuti si dividono in due gruppi: quark (che costituiscono i protoni e i neutroni) e leptoni (come gli elettroni). Le particelle elementari che costituiscono la materia ordinaria sono fermioni oppure bosoni, e i fermioni si suddividoni in leptoni e barioni. Il principio di esclusione di Pauli al quale sottostanno i fermioni è responsabile della "rigidità" della materia ordinaria e della stabilità degli orbitali atomici, rendendo possibile la chimica complessa.
[modifica] Voci correlate
- Bosone
- Energia di Fermi
- Leggi di conservazione
- Equazione di Dirac
- Lista delle particelle
- Particelle identiche
- Parastatistica
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| Fermioni: Quark | Leptone | |
| Quark: Up | Down | Strange | Charm | Bottom | Top | Tetraquark | Pentaquark | |
| Leptoni: Elettrone | Muone | Tauone | Neutrini | |
| Bosoni di Gauge: Fotoni | Bosoni W e Z | Gluone | |
| Non ancora rilevati: Bosone di Higgs | Gravitone | |
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