¿Qué es el Fermión?
Los fermiones son partículas que tienen espín semi entero, y por lo tanto se ven limitadas por el principio de exclusión de Pauli. Las partículas con espín entero se llaman bosones. Fermiones son los electrones, los protones, y los neutrones. La función de onda que describe una colección de fermiones, debe ser antisimétrica con respecto al intercambio de partículas idénticas, mientras que la función de onda para una colección de bosones es simétrica.
El hecho de que los electrones sean fermiones, es fundamental en la construcción de la tabla periódica de los elementos, ya que sólo puede haber un electrón por cada estado en un átomo, (un solo electrón para cada conjunto posible de números cuánticos). La naturaleza fermiónica de los electrones, también regula el comportamiento de los electrones en un metal, en donde a temperaturas bajas, se llenan todos los estados de baja energía hasta un nivel llamado energía de Fermi. Este relleno de los estados, está descrito por las estadísticas de Fermi-Dirac.
Descripción cuántica
En la descripción de la mecánica cuántica no relativista las funciones de onda de los fermiones son antisimétricas, lo cual se corresponde con el hecho de que obedecen la estadística de Fermi-Dirac verificando, por tanto, el principio de exclusión de Pauli. Esta propiedad implica que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Todas las partículas elementales "observadas" son fermiones o bosones. Una partícula compuesta, formada por varias elementales, puede ser también un fermión o un bosón dependiendo solo del número de fermiones que contenga:
- Las partículas compuestas que contienen un número par de fermiones llegan a comportarse como bosones (para valores de la energía tales que no se rompan las ligaduras entre ellas). Este es el caso, por ejemplo, de los mesones o del núcleo de carbono-12.
- Las partículas compuestas que contienen un número impar de fermiones se comportan en sí mismas como fermiones. Este es el caso, por ejemplo, de los bariones o del núcleo de carbono-13.
Por el contrario el número de bosones que contenga la partícula es irrelevante de cara a determinar su posible naturaleza fermiónica o bosónica.
Por supuesto, el comportamiento fermiónico o bosónico de las partículas compuestas solo se aprecia si observamos el sistema a gran distancia en comparación con la escala de la partícula. Si observamos a escalas similares entonces la contribución de la estructura espacial empieza a ser importante. Por ejemplo, dos átomos de helio-4 a pesar de ser bosones no pueden ocupar el mismo espacio si este es comparable al tamaño de la estructura de la partícula en cuestión. Así, el helio líquido tiene una densidad finita comparable a la densidad de la materia líquida ordinaria.
Fermiones elementales
Los fermiones elementales se dividen en dos grupos:
Quarks, que forman las partículas del núcleo atómico, y que son capaces de experimentar la interacción nuclear fuerte.
Leptones, entre los que se encuentran los electrones y otras que interactúan básicamente mediante la interacción electrodébil.
La materia ordinaria está básicamente formada por fermiones y a ellos debe prácticamente toda su masa. Los átomos están compuestos por quarks que a su vez forman los protones y los neutrones del núcleo atómico y también por leptones, los electrones. El principio de exclusión de Pauli obedecido por los fermiones es el responsable de la "impenetrabilidad" de la materia ordinaria, que hace que esta sea una substancia extensa. El principio de Pauli también es responsable de la estabilidad de los orbitales atómicos haciendo que la complejidad química sea posible. También es el responsable de la presión ejercida por la materia degenerada.
Figura 1.
Los fermiones elementales también pueden ser clasificados en:
Fermiones de Majorana, cuando son estados propios del operador de conjugación de carga y por tanto dos fermiones de ese tipo pueden aniquilarse mutuamente.
Fermiones de Dirac, cuando no son estados propios del operador de conjugación de carga, y por tanto, tiene una carga eléctrica de signo contrario a la de su correspondiente antipartícula.
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