De acordo com o modelo padrão, a matéria é composta de férmions e bósons. Os férmions são partículas de matéria do telefonema ou matéria ordinária bariônica. Os bósons , por sua vez, são as partículas que carregam as forças fundamentais de interação (interação eletromagnética, interação nuclear forte e fraca, gravidade).

O nome “férmion” foi cunhado pelo físico teórico Paul Dirac a partir do sobrenome de Enrico Fermi . Ambos desenvolveram independentemente o que agora é conhecido como estatística Fermi-Dirac, que descreve a distribuição espacial dos férmions.

Assim, mais precisamente, um férmion é definido na física de partículas como uma partícula que segue uma distribuição de acordo com a estatística de Fermi-Dirac e que obedece ao princípio de exclusão de Pauli , enquanto os bósons são distribuídos de acordo com a estatística de Bose. -Einstein e não são afetados pela exclusão de Pauli.

Obedecendo ao princípio de exclusão de Pauli, dois férmions não podem existir no mesmo estado quântico, ou seja, dois férmions não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo, por isso são partículas da matéria.

Já para os bósons, não há limite de partículas que podem estar no mesmo estado quântico, por isso são descritas como partículas de força e não como partículas de matéria. Além disso, bósons sem massa são conhecidos, mas nenhum férmion sem massa é conhecido.

Spin e o Princípio de Exclusão de Pauli

Uma das características essenciais para classificar as partículas elementares em férmions ou bósons é o momento angular intrínseco , também conhecido como spin , uma vez que as partículas que possuem spin semi-inteiro, como 1/2 ou -1/2, estão sujeitas ao Princípio de exclusão de Pauli, enquanto as partículas cujo spin é um número inteiro, como 1 ou 2, não o são.

De acordo com isso, as partículas elementares podem ser de dois grandes tipos ou famílias:

  • férmions : spin semi-inteiro e sujeito ao princípio de exclusão de Pauli.
  • bósons : spin inteiro e não sujeito ao princípio de exclusão de Pauli.

O princípio de exclusão de Pauli sustenta que dentro de um sistema quântico não pode haver dois ou mais férmions idênticos com o mesmo estado quântico .

Por exemplo, o estado quântico de um elétron é definido por quatro números quânticos:

  • n : número quântico principal
  • l : número quântico azimutal (ou momento angular orbital)
  • m l : número quântico magnético
  • s : número quântico de spin (momento angular intrínseco). Às vezes, o símbolo m s também é usado.

Em seguida, de acordo com o princípio de exclusão de Pauli, se dois electrões do mesmo átomo de ter o mesmo valor para n , l e m l , em seguida, a rotação tem de ser diferente, terá uma rotação 02/01 e o outro -1/2 , e assim os dois elétrons não caem no mesmo estado quântico e podem coexistir no mesmo orbital com uma função de onda anti simétrica .

O princípio de exclusão de Pauli foi desenvolvido por Wolfgang Pauli em 1925 para explicar a estabilidade do modelo atômico proposto por Niels Bohr em 1922, segundo o qual um átomo era composto de um núcleo e conchas de orbitais eletrônicos circundantes.

O modelo atômico de Bohr era consistente com a evidência experimental, mas não havia razão para que esse modelo fosse uma estrutura estável, e isso é o que Pauli tentou explicar.

Em 1926, Fermi e Dirac aplicaram o trabalho de Pauli a um gás ideal e desenvolveram um sistema de distribuição quântica estatística mais completo que se aplicava não apenas aos elétrons, mas a qualquer outro tipo de férmion.

Em suma, todos os férmions seguem o modelo de distribuição de Fermi-Dirac, possuem spin semi-inteiro, verificam o princípio de exclusão de Pauli e sua distribuição espacial é descrita por funções de onda antissimétricas.

Tipos de fermions elementares

O spin é uma das propriedades intrínsecas dos férmions e eles assumem apenas dois valores possíveis: eles têm um spin de 1/2 ou têm um spin de -1/2.

Outra propriedade intrínseca dos férmions é a carga e, dependendo da carga, dois subtipos de férmions podem ser distinguidos:

  • quarks : um quark tem uma carga elétrica não inteira (-1/3, 2/3, etc). Eles experimentam fortes forças de interação nuclear.
  • léptons : um lépton é um tipo de férmion com carga elétrica inteira (-1, 0, etc). Eles não experimentam fortes forças de interação nuclear.

Quarks e léptons são os chamados férmions elementares . Por exemplo, o elétron é um férmion elementar do tipo leptão cuja carga é -1.

No total, existem 6 tipos de quarks e 6 tipos de léptons, mais os respectivos anti-quarks e anti-léptons, perfazendo um total de 24 férmions elementares .

Modelo Padrão de Partículas Elementares de Matéria Bariônica e Gravidade

Quarks

Com 2/3 de carga (-2/3 para antipartículas):

  • u (para cima) / anti-u
  • c (charme) / anti-c
  • t (topo) / anti-t

Com -1/3 carga (1/3 para antipartículas):

  • d (para baixo) / anti-d
  • s (estranho) / anti-s
  • b (botton) / anti-b

Leptones

Com carga -1 (1 para antipartículas):

  • e (elétron) / anti-elétron (pósitron)
  • μ (muón) / anti-muón
  • τ (tau) / anti-tau

Com carga 0 (as antipartículas deste tipo de leptões também têm carga 0, por isso são consideradas partículas de manjerona):

  • v e (neutrino de elétron) / antineutrino eletrônico
  • v μ (muon nêutron) / antineutrino muônico
  • v τ (tau neutrino) / antineutrino tauónico

Os férmions elementares também podem ser classificados como:

  • férmions ou partículas Manjerona : partícula e antipartícula têm a mesma carga. Isso ocorre com neutrinos e antineutrinos, podendo-se considerar que partícula e antipartícula são iguais.
  • Férmions de Dirac : partícula e antipartícula têm carga oposta. Isso ocorre em todos os férmions elementares, exceto neutrinos / anti-neutrinos.

Férmions compostos

Como visto acima, o elétron é um tipo de férmion elementar, especificamente da família dos leptons, mas os quarks e os leptons também podem se combinar para formar férmions compostos.

Como os férmions elementares, os férmions compostos também têm um spin meio-inteiro e, como o spin se soma, os férmions compostos são sempre formados por um número ímpar de férmions elementares .

Alguns exemplos de férmions compostos:

  • Bárions : são férmions compostos por uma combinação de três quarks . Os bárions mais representativos são nêutrons e prótons nos núcleos atômicos. Os nêutrons são compostos de quarks 2 d e quark 1 u. Os prótons são compostos de 2 quarks u e 1 d quark.
  • Hélio-3 : O átomo de Hélio-3 tem 2 prótons e 1 nêutron no núcleo, mais 2 elétrons em órbita. O número de férmions permanece ímpar e a soma do spin dá um spin meio inteiro, então o átomo de Hélio-3 também pode ser considerado um férmion.