Fermioni

I fermioni sono le particelle fondamentali che seguono il principio di esclusione di Pauli. Questo significa che due fermioni identici non possono occupare lo stesso stato quantico simultaneamente.

Nell'universo, ci sono due grandi "famiglie" di particelle: i fermioni e i bosoni.

I fermioni sono le particelle che compongono la materia, cioè tutto ciò che puoi toccare e vedere, perché formano gli atomi e le molecole.

Perché si chiamano fermioni?

Il termine "fermione" deriva dal cognome del fisico italiano Enrico Fermi, perché sono descritti dalla statistica di Fermi-Dirac, che determina il modo in cui le particelle si distribuiscono in vari livelli energetici. 

Nota. Nel 1926, Fermi elaborò una statistica per descrivere il comportamento delle particelle che obbediscono al principio di esclusione (cioè che non possono occupare lo stesso stato quantico). Questa statistica fu successivamente formalizzata da Paul Dirac, e da allora è conosciuta come statistica di Fermi-Dirac. Le particelle che seguono questa statistica sono quindi dette fermioni, in onore di Fermi.

I fermioni si dividono in due categorie principali: i quark e i leptoni.

• I quark sono i mattoni fondamentali dei protoni e dei neutroni
• I leptoni includono particelle come l'elettrone e il neutrino.

In generale, i barioni fanno parte della famiglia dei fermioni. 

Quali sono le caratteristiche principali dei fermioni?

Una caratteristica speciale dei fermioni è che il loro "spin" è sempre un numero semi-intero, come 1/2, -1/2, e così via.

Cos'è lo spin? Lo spin è una proprietà quantistica che non ha un equivalente diretto nel mondo macroscopico, ma si può pensare come una sorta di "rotazione interna" della particella.

Inoltre, ogni fermione segue il principio di esclusione di Pauli.

Quindi, non può mai condividere lo stesso spazio e lo stesso stato quantico con un altro fermione.

Ad esempio, gli elettroni si dispongono sugli orbitali intorno a un nucleo di un atomo su livelli energetici diversi. In uno stesso orbitale possono coesistere simultaneamente al massimo due elettroni con spin opposto, uno "up" e l'altro "down".

Ad esempio, un atomo di litio ha tre elettroni. I primi due elettroni si collocano sull'orbitale più vicino al nucleo atomico, quello con minore energia, uno con spin up e l'altro con spin down. Il terzo elettrone si colloca sull'orbitale appena più esterno.

Questa regola di "non sovrapposizione" dei fermioni è il motivo per cui la materia ha una struttura solida e stabile. Senza questa regola, tutto potrebbe collassare su sé stesso!

Qual è la differenza tra fermioni e bosoni?

I fermioni e i bosoni sono due classi di particelle elementari, e la differenza principale tra di loro sta nel loro "spin".

• Fermioni
  Queste particelle hanno spin semi-intero (come 1/2, 3/2, ecc.). Gli elettroni, i protoni e i neutroni sono esempi di fermioni. Una proprietà fondamentale dei fermioni è che seguono il principio di Esclusione di Pauli. Questo principio afferma che due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantistico contemporaneamente.
• Bosoni
  Queste particelle hanno spin intero (come 0, 1, 2, ecc.). I bosoni sono spesso associati con le forze della natura. Ad esempio, il fotone è il bosone associato alla forza elettromagnetica, e il gluone è associato alla forza che tiene insieme i quark all'interno dei protoni e neutroni. A differenza dei fermioni, i bosoni possono coesistere nello stesso stato quantistico; in pratica, possono "sovrapporsi" l'uno all'altro senza problemi. Pertanto, "non" seguono il principio di Pauli.

Questa distinzione è cruciale per capire come funzionano le particelle a livello quantistico e ha enormi implicazioni in fisica, dalla struttura degli atomi alle teorie sulle forze fondamentali dell'universo.