Fermione

In fisica i fermioni, così chiamati in onore di Enrico Fermi, sono le particelle che seguono la statistica di Fermi-Dirac e sono dotate di conseguenza, secondo il teorema spin-statistica, di spin semi-intero. Costituiscono, insieme ai bosoni, una delle due classi fondamentali in cui si dividono le particelle.

Elementi distintivi principali dei fermioni sono l'obbedire al principio di esclusione di Pauli e il possedere sempre massa, mentre i bosoni elementari ne sono in diversi casi privi. Tutta la materia conosciuta è costituita da fermioni, che sono responsabili, direttamente o attraverso la loro forza attrattiva, della massa rilevabile in natura.

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.

Spin dei fermioni

Il teorema spin-statistica 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.

I fermioni nella fisica subnucleare

Nel modello standard vi sono due tipi di fermioni elementari: i quark (che costituiscono i protoni e i neutroni) e i leptoni (come gli elettroni).

Una particella non elementare può essere un fermione (come i barioni) o un bosone (come i mesoni), a seconda che contenga rispettivamente un numero dispari o pari di fermioni e abbia di conseguenza spin globale semintero o intero. Tale regola è valida anche per gli atomi. Diversamente, la natura fermionica o bosonica di una particella composta è indipendente dal numero di bosoni.

Il comportamento fermionico o bosonico di una particella composta o di un atomo (o sistema) si può notare solo a grande distanza (comparata alle dimensioni del sistema). In prossimità, dove le strutture spaziali iniziano ad avere importanza, il comportamento segue le leggi dei costituenti elementari. Per esempio, due atomi di elio, malgrado le loro proprietà bosoniche, non possono condividere lo stesso spazio se questo è confrontabile in dimensioni alla grandezza della struttura interna dell'atomo stesso (~10⁻¹⁰ m). Così l'elio liquido ha una densità finita, confrontabile a quella della materia liquida ordinaria.

Le particelle che costituiscono la materia ordinaria sono fermioni elementari (leptoni) o composti (barioni). Il principio di esclusione di Pauli, al quale sottostanno i fermioni, è responsabile della "rigidità" della materia e della stabilità degli orbitali atomici, oltre a rendere possibile, nel caso degli elettroni, il legame covalente in chimica.

Le particelle elementari del Modello standard: i fermioni occupano le prime tre colonne

Le tre generazioni di fermioni

I fermioni possono essere raggruppati in base alle loro proprietà di interazione in tre generazioni. La prima è composta da elettroni, neutrini elettronici e dai quark up e down. Tutta la materia ordinaria è costituita da elettroni e dai quark up e down in varie combinazioni. Le particelle delle due generazioni successive hanno massa maggiore delle precedenti (per quanto ne sappiamo; per i neutrini le attuali misure non permettono una misura diretta della massa, ma solo dei valori assoluti delle differenze di massa). A causa della loro maggior massa, i leptoni ed i quark della seconda e terza famiglia (o le particelle da essi costituite) sono instabili e presentano una breve vita media, potendo decadere in particelle più leggere costituite da elementi della prima famiglia.

Bibliografia

• (EN) M. McNaught, A. Wilkinson, IUPAC. Compendium of Chemical Terminology ("Gold Book"), 2ª ed., Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1997, DOI:10.1351/goldbook.F02342, ISBN 0-9678550-9-8.

Voci correlate

• Modello standard
• Meccanica quantistica
• Bosone (fisica)
• Energia di Fermi
• Leggi di conservazione
• Equazione di Dirac
• Lista delle particelle
• Particelle identiche
• Parastatistica
• Teorema spin-statistica

Collegamenti esterni

• Template:Thesaurus BNCF