Fermió
Un fermió és un dels dos tipos bàsics de partícules elementals que existixen en la naturalea (l'atre tipo és el bosón). Els fermions es caracterisen per tindre espin semientero (1/2, 3/2, ...) i, per tant, estar subjectes al principi d'exclusió de Pauli.
En física de partícules, un fermió és una partícula que seguix l'estadística de Fermi-Dirac. Generalment, té un espin semientero: 1/2, 3/2, etc. Els fermions inclouen tots els cuarks i leptones, aixina com totes les partícules compostes formades per un número impar d'elles, com tots els bariones i molts àtoms i núcleus. Els fermions diferixen dels bosones, que obedixen a l'estadística de Bose-Einstein.
En el modele estàndart de física existixen dos tipos de fermions fonamentals, els cuarks i els leptones. Els fermions es consideren els constituents bàsics de la matèria, que interactuen entre ells via bosones de gauge. Este tipo de partícula es diu aixina en honor al científic italià Enrico Fermi.
Alguns fermions són partícules elementals (com l'electró), i uns atres són partícules compostes (com el protó). Per eixemple, segons el teorema de l'espin-estadístic de la relativista teoria quàntica de camps, les partícules en espin sancer són bosones; en canvi, les partícules en espin mig sancer són fermions.
Ademés de la característica d'espin, els fermions tenen una atra propietat específica: posseïxen número quàntic conservat de bariones o leptones. Per lo tant, lo que se sol denominar relació espin-estadística és, en realitat, una relació espin-número quàntic.[1]
Com a conseqüència del principi d'exclusió de Pauli, solament un fermió pot ocupar un determinat estat quàntic en un moment donat. Supongam que varis fermions tenen la mateixa distribució de provabilitat espacial. Llavors, a lo manco una propietat de cada fermió, com el seu espin, deu ser diferent. Els fermions solen estar associats a la matèria, mentres que els bosones són generalment partícules portadores de força. No obstant, en l'estat actual de la física de partícules, la distinció entre abdós conceptes no està clara. Els fermions d'interacció dèbil també poden mostrar un comportament bosónico en condicions extremes. Per eixemple, a baixes temperatures, els fermions mostren superfluidez per a les partícules sense càrrega i superconductivitat per a les partícules en càrrega.
Els fermions composts, com els protons i els neutrons, són els components clau de la matèria quotidiana.
El físic teòric anglés Paul Dirac va falcar el nom de fermió a partir del llinage del físic italià Enrico Fermi.[2]
Història del desenroll del concepte de fermions
El desenroll del concepte de fermió reflectix l'interacció dels alvanços teòrics en mecànica quàntica i teoria de camps, culminant en una comprensió robusta de la matèria i els seus constituents fonamentals. Els fermions eixerciten un paper crucial en l'univers, formant els blocs de construcció de la matèria i influint en molts fenomens físics.[3]
Principis del sigle XX: mecànica quàntica
1900s: Max Planck va introduir l'idea de la cuantisació de l'energia, assentant les bases per a la mecànica quàntica.[4]
1924: El físic indi Satyendra Nath Bose i Albert Einstein varen desenrollar l'estadística de Bose-Einstein, descrivint el comportament de partícules que poden ocupar el mateix estat quàntic, conegudes com bosones.
El concepte de fermions
1926: Wolfgang Pauli va introduir el principi d'exclusió, afirmant que no poden ocupar simultàneament el mateix estat quàntic dos fermions idèntics. Est va ser un moment crucial en la definició de fermions.
1927: El terme "fermió" va ser falcat en honor al físic Enrico Fermi, en reconeiximent a les seues contribucions al tractament estadístic de partícules que obedixen el principi d'exclusió de Pauli.
Desenroll de l'Estadística de Fermi-Dirac
1928: Fermi i Dirac varen formular de manera independent lo que ara es coneix com estadística de Fermi-Dirac, que rig la distribució de partícules com a electrons, protons i neutrons que seguixen el principi d'exclusió.
Teoria quàntica de camps
Década de 1940: El desenroll de la teoria quàntica de camps (QFT) va consolidar encara més la comprensió dels fermions com a partícules fonamentals. l'equació de Dirac, formulada per Paul Dirac en 1928, va predir l'existència d'antimatèria i va descriure partícules d'espin 1/2, que ara es classifiquen com fermions.[5]
El Model Estàndar de la Física de Partícules
Década de 1970: Aparició del Modele Estàndar, que proporciona un marc integral que classifica als fermions en dos grups: quarks i leptones. Els quarks es combinen per a formar protons i neutrons, mentres que els leptones inclouen partícules com a electrons i neutrins.[6]
Desenrolls recents
Década del 2000 i posteriors: L'investigació continua sobre el comportament fermiònic, particularment en la física de la matèria condensada i l'estudi d'aïllants topològics, superconductors i el mecanisme de Higgs.
Descripció quàntica
En la descripció de la mecànica quàntica no relativista les funciones d'ona dels fermions són antisimètriques, lo que es correspon en el fet de que obedixen l'estadística de Fermi-Dirac verificant, per tant, el principi d'exclusió de Pauli. Esta propietat implica que dos fermions no poden ocupar el mateix estat quàntic al mateix temps. Totes les partícules elementals "observades" són fermions o bosones. Una partícula composta, formada per vàries elementals, pot ser també un fermió o un bosón depenent solament del número de fermions que continga:
- Les partícules compostes que contenen un número par de fermions apleguen a comportar-se com bosones (per a valors de l'energia tals que no es trenquen les lligam entre elles). Est és el cas, per eixemple, dels posades o del núcleu de carbono-12.
- Les partícules compostes que contenen un número impar de fermions es comporten en sí mateixes com fermions. Est és el cas, per eixemple, dels bariones o del núcleu de carbono-13.
Pel contrari el número de bosones que continga la partícula és irrellevant de cara a determinar la seua possible naturalea fermiònica o bosónica.
Per supost, el comportament fermiònic o bosónico de les partícules compostes solament s'aprecia si observem el sistema a gran distància en comparació a l'escala de la partícula. Si observem a escales similars llavors la contribució de l'estructura espacial escomença a ser important. Per eixemple, dos àtoms d'heli-4 a pesar de ser bosones no poden ocupar el mateix espai si este és comparable al tamany de l'estructura de la partícula en qüestió. Aixina, l'heli líquit té una densitat finita comparable a la densitat de la matèria líquida ordinària.
Referències
- ↑ Weiner, Richard M.(4 de març de 2013)..055003 «Conexió espin-estadística-número quàntic i supersimetría».Physical Review D.87(5): 055003-05.ISSN 1550-7998.doi:10.1103/physrevd.87.055003.Consultat el 2022-03-28.
- ↑ Notes de la conferència de Dirac Developments in Atomic Theory en Li Palais de la Découverte, 6 de decembre de 1945, UKNATARCHI Dirac Papers BW83/2/257889. Vore la nota 64 de la pàgina 331 de "The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom" de Graham Farmelo
- ↑ Fermi, E. Nuclear Physics: A Course Given by Enrico Fermi at the University of Chicago (1950) University of Chicago Press 184 pag. ISBN: 978-0226247760
- ↑ Dirac, P. A. M. The Principles of Quàntum Mechanics (1930) Oxford University Press 343 pag. ISBN: 978-0198527286
- ↑ Weinberg, S. The Quàntum Theory of Fields, Volume 1: Foundations (1995) Cambridge University Press 528 pag. ISBN: 978-0521550023
- ↑ Griffiths, D. J. Introduction to Quàntum Mechanics (1995) Prentice Hall, 503 pag. ISBN: 978-0131244051
- Este artícul conté una traducció derivada de «Fermión» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.