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Física: Definición de Fermión

Física: Definición de Fermión

En física de partículas, un fermion es un tipo de partícula que obedece las reglas de las estadísticas de Fermi-Dirac, a saber, el principio de exclusión de Pauli. Estos fermiones también tienen un giro cuántico with contiene un valor de medio entero, como 1/2, -1/2, -3/2, etc. (En comparación, hay otros tipos de partículas, llamadas bosones, que tienen un giro entero, como 0, 1, -1, -2, 2, etc.)

¿Qué hace que los fermiones sean tan especiales?

Los fermiones a veces se denominan partículas de materia, porque son las partículas que constituyen la mayor parte de lo que consideramos materia física en nuestro mundo, incluidos los protones, los neutrones y los electrones.

Fermiones fueron predichos por primera vez en 1925 por el físico Wolfgang Pauli, quien estaba tratando de descubrir cómo explicar la estructura atómica propuesta en 1922 por Niels Bohr. Bohr había usado evidencia experimental para construir un modelo atómico que contenía capas de electrones, creando órbitas estables para que los electrones se movieran alrededor del núcleo atómico. Aunque esto coincidía bien con la evidencia, no había una razón particular por la cual esta estructura sería estable y esa es la explicación que Pauli estaba tratando de alcanzar. Se dio cuenta de que si asignaba números cuánticos (más tarde nombrados giro cuántico) para estos electrones, entonces parecía haber algún tipo de principio que significaba que ninguno de los dos electrones podía estar exactamente en el mismo estado. Esta regla se conoció como el Principio de Exclusión de Pauli.

En 1926, Enrico Fermi y Paul Dirac intentaron comprender de manera independiente otros aspectos del comportamiento aparentemente contradictorio de los electrones y, al hacerlo, establecieron una forma estadística más completa de tratar con los electrones. Aunque Fermi desarrolló el sistema primero, estaban lo suficientemente cerca y ambos trabajaron lo suficiente como para que la posteridad haya denominado su método estadístico Estadísticas de Fermi-Dirac, aunque las partículas en sí fueron nombradas en honor al propio Fermi.

El hecho de que los fermiones no pueden colapsar en el mismo estado, nuevamente, ese es el significado último del Principio de Exclusión de Pauli, es muy importante. Los fermiones dentro del sol (y todas las otras estrellas) se están colapsando bajo la intensa fuerza de la gravedad, pero no pueden colapsar por completo debido al Principio de Exclusión de Pauli. Como resultado, se genera una presión que empuja contra el colapso gravitacional de la materia de la estrella. Es esta presión la que genera el calor solar que alimenta no solo a nuestro planeta, sino a gran parte de la energía en el resto de nuestro universo ... incluida la formación misma de elementos pesados, como se describe mediante la nucleosíntesis estelar.

Fermiones Fundamentales

Hay un total de 12 fermiones fundamentales, fermiones que no están formados por partículas más pequeñas, que se han identificado experimentalmente. Se dividen en dos categorías:

  • Quarks - Quarks son las partículas que forman hadrones, como los protones y los neutrones. Hay 6 tipos distintos de quarks:
      • Hasta Quark
    • Charm Quark
    • Quark superior
    • Abajo Quark
    • Quark extraño
    • Quark Inferior
  • Leptones - Hay 6 tipos de leptones:
      • Electrón
    • Neutrino Electrónico
    • Muon
    • Muon Neutrino
    • Tau
    • Tau Neutrino

Además de estas partículas, la teoría de la supersimetría predice que cada bosón tendría una contraparte fermiónica hasta ahora no detectada. Dado que hay de 4 a 6 bosones fundamentales, esto sugeriría que, si la supersimetría es cierta, hay otros 4 a 6 fermiones fundamentales que aún no se han detectado, presumiblemente porque son muy inestables y se han descompuesto en otras formas.

Fermiones compuestos

Más allá de los fermiones fundamentales, se puede crear otra clase de fermiones combinando fermiones (posiblemente junto con bosones) para obtener una partícula resultante con un giro de medio entero. Los giros cuánticos se suman, por lo que algunas matemáticas básicas muestran que cualquier partícula que contenga un número impar de fermiones terminará con un giro de medio entero y, por lo tanto, será un fermión en sí. Algunos ejemplos incluyen:

  • Bariones - Estas son partículas, como protones y neutrones, que se componen de tres quarks unidos. Como cada quark tiene un giro de medio entero, el barión resultante siempre tendrá un giro de medio entero, sin importar qué tres tipos de quark se unan para formarlo.
  • Helio-3 - Contiene 2 protones y 1 neutrón en el núcleo, junto con 2 electrones que lo rodean. Como hay un número impar de fermiones, el giro resultante es un valor de medio entero. Esto significa que el helio-3 también es un fermión.

Editado por Anne Marie Helmenstine, Ph.D.