Devido ao Princípio de Exclusão de Pauli, os férmions se combinam em partículas compostas, átomos e moléculas e formam a matéria densa que conhecemos. Os bósons não estão sujeitos a este Princípio de Exclusão.

Cada partícula conhecida é composta de dois tipos de partículas elementares : férmions e bósons .

Ambas as partículas são caracterizadas por certas propriedades intrínsecas : massa, carga elétrica e momento angular intrínseco ou spin .

Partículas com um valor de spin dado em múltiplos de semi-inteiros (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2, etc.) são conhecidas como férmions . Partículas com spin múltiplo de inteiros (0, ± 1, ± 2, etc) são conhecidas como bósons .

Todas as outras partículas conhecidas são formadas pela combinação e interação entre férmions e bósons.

Embora o valor do spin e o tipo de partícula correspondente possam parecer uma classificação arbitrária ou trivial, existem duas diferenças principais no comportamento dos férmions e bósons associados ao spin :

  1. Os férmions estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli e seguem as estatísticas Fermi-Dirac . Eles descrevem funções de onda assimétricas . Exemplos: elétrons, quarks, neutrinos, etc.
  2. Os bósons não estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli e seguem as estatísticas de Bose-Einstein . Eles descrevem funções de ondas simétricas . Exemplo: fóton, glúon, gráviton, etc.

Essas diferenças, que estão associadas ao spin, fazem dos férmions as partículas massivas , ou seja, aquelas que geram a densidade da matéria comum que conhecemos.

Os bósons, por outro lado, são partículas não massivas e sua troca é responsável pela interação entre os férmions . Por exemplo, o fóton é um tipo de bóson responsável pela força eletromagnética, uma das forças fundamentais .

É por isso que se costuma dizer que os bósons são as partículas portadoras de força e que os férmions são as partículas portadoras de massa.

Modelo padrão de partículas: os férmions estão nas três primeiras colunas (quarks e leptons). Os bósons nas duas colunas à direita. Wikimedia Commons.

Explicação

Por alguma razão não totalmente compreendida, os férmions obedecem ao Princípio de Exclusão de Pauli : em qualquer sistema quântico dado, dois férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico . Os bósons não têm essa restrição.

Os elétrons são férmions, pois são partículas com valor de spin semi – integral. O spin dos elétrons pode ser +1/2 ou -1/2 .

Se pegarmos um núcleo atômico e começarmos a adicionar elétrons, o primeiro tenderá a ocupar o estado fundamental , que é o estado de menor energia permitido (orbital 1s). O spin desse elétron pode ser +1/2 ou -1/2.

Se adicionarmos um segundo elétron, seu spin deve necessariamente ser de sinal oposto para ocupar também o estado fundamental. Se o spin não fosse de sinal oposto, os dois elétrons estariam no mesmo estado quântico e, seguindo o Princípio de Exclusão de Pauli, não poderiam coexistir no mesmo orbital atômico.

Diagrama orbital para um átomo de oxigênio neutro. Como os elétrons são férmions, não bósons, e seguem o Princípio de Exclusão de Pauli, nem todos podem ocupar o estado fundamental (orbital 1s)

Se continuarmos a adicionar elétrons, o próximo não será mais capaz de ocupar o orbital 1s, mas terá que passar para o próximo estado de energia permitido, o orbital 2s, e assim por diante, à medida que continuarmos a adicionar elétrons.

Em última análise, o fato de os elétrons serem férmions e estarem sujeitos ao Princípio da Exclusão de Pauli é responsável pela construção dos diferentes elementos da tabela periódica .

Os bósons, ao contrário, não estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli e podem ocupar o mesmo estado quântico indefinidamente . Por exemplo, um número indefinido de fótons pode coexistir no mesmo estado quântico, ou seja, podem ocupar o mesmo espaço e ao mesmo tempo.

Mais diferenças entre férmions e bósons: antipartículas e aniquilação

Como vimos, o Princípio de Exclusão de Pauli associado ao spin semi-inteiro é extremamente importante para os férmions formarem a matéria massiva.

Da mesma forma que, à medida que os elétrons são adicionados a um átomo, eles ocupam orbitais diferentes e os diferentes elementos são formados, outros férmions podem ser combinados para formar partículas compostas .

Os bárions são um tipo de partículas compostas formadas pela combinação de três férmions . Entre eles estão nêutrons e prótons : dois quarks up e um quark down formam um próton, enquanto um quark up e dois quarks down formam um nêutron.

Por sua vez, prótons e nêutrons se combinam para formar núcleos atômicos.

Algo muito surpreendente sobre as partículas constituídas por férmions é que elas podem continuar a se comportar como férmions, mas também como bósons de acordo com o spin resultante :

  • Barions (prótons, nêutrons, etc.) : são formados por três férmions , cada um com spin ± 1/2, ao somar o spin dos três o resultado também será um valor semi-inteiro (-3/2, – 1/2, +1/2 ou +3/2), então eles se comportam como férmions também.
  • Mésons : são partículas compostas formadas por dois férmions . Ao adicionar dois giros de ± 1/2, o resultado pode ser -1, 0 ou +1, ou seja, um giro de valor inteiro . O resultado é que os mésons, apesar de constituídos por férmions, se comportam como bósons. Por exemplo, um núcleo de Hélio-4 se comporta como um bóson, o que foi demonstrado em temperaturas muito baixas quando o condensado de Bose-Einstein se forma e atinge o estado de superfluidez.

Além disso, também existem férmions como antipartículas (antimatéria, não confundir com matéria escura), que são do mesmo tipo de partícula, mas com carga oposta . Por exemplo, existem o quark e o anti-quark, ou o elétron e o pósitron (ou anti-elétron).

Partículas e antipartículas podem se aniquilar em processos de decadência ou decadência , como o decaimento beta, e produzir outros férmions e bósons.

Por exemplo, quando um elétron e um pósitron se aniquilam, dois fótons são formados (os fótons são bósons).

Aniquilação de partícula-antipartícula

Ao contrário, um bóson e um anti-bóson seriam exatamente iguais, não há anti-bósons nem podem os bósons sofrer processos de aniquilação.

conclusão

Os férmions têm um spin meio inteiro e os bósons um spin inteiro , um fato interessante que parece estar diretamente relacionado a ambos os tipos de partículas, que seguem regras quânticas muito diferentes de grande consequência.

Em um nível fundamental, essas diferentes regras são responsáveis ​​por nossa própria existência: o Princípio de Exclusão de Pauli cria uma pressão que impede que toda matéria entre em colapso sobre sua própria gravidade.

Estrela de nêutrons e estrela de quark: ambas compostas de quarks. O Princípio de Exclusão de Pauli evita o colapso sob sua própria gravidade