Conceito de Férmion

Ángel Zamora Ramírez | Julho 2023
Licenciado em Física

Um férmion é um dos dois tipos de partículas elementares, considerado o componente fundamental da matéria. Ele é dividido em dois grupos: quarks e léptons. Toda a matéria comum que conhecemos é composta de partículas elementares conhecidas como férmions. Se a matéria fosse um edifício, os férmions seriam os blocos de construção dele. Os férmions também interagem entre si graças aos bósons (outro tipo de partícula elementar que existe) e entre as duas famílias formam o Modelo Padrão da Física de Partículas.

Estatística de Fermi-Dirac e o Princípio de Exclusão de Pauli

Em termos gerais, férmions são aquelas partículas que obedecem à “Estatística de Fermi – Dirac”. Podemos compará-las com os bósons, que são aquelas partículas que podem ser descritas por meio da “Estatística de Bose – Einstein”.

A Estatística de Fermi-Dirac faz parte da Mecânica Estatística e explica estatisticamente como um conjunto de férmions é distribuído entre os diferentes estados de energia possíveis. Este tipo de estatística foi proposto por Enrico Fermi e Paul Dirac, na verdade, o nome “férmion” foi cunhado em homenagem a Enrico Fermi.

Ao contrário dos bósons que podem coexistir no mesmo estado quântico, os férmions não podem estar no mesmo estado quântico ao mesmo tempo. Esta é a razão pela qual os elétrons (que são férmions) em um átomo são arranjados em níveis de energia específicos.

Como resultado disso, na mecânica quântica existe um princípio conhecido como “Princípio de Exclusão de Pauli” que estabelece que, em um sistema quântico de férmions, não podem existir dois férmions com a mesma combinação de número quântico. Em outras palavras, em um sistema de férmions todos devem estar em diferentes estados quânticos ou níveis de energia.

Propriedades do Férmion

Os férmions têm propriedades e características que os diferenciam dos bósons.

Os férmions, ao contrário dos bósons, obedecem ao Princípio de Exclusão de Pauli. Os férmions que compõem um sistema estarão distribuídos em diferentes estados.

A função de onda que descreve um sistema de férmions é antissimétrica em relação à troca de partículas. Vamos imaginar que temos um férmion em uma posição x e outro férmion em outra posição y, e por algum motivo esses férmions trocam de posição entre si. Sejam ψ(x,y) e ψ(y,x) as funções de onda que descrevem ambos os casos, respectivamente, então temos:

ψ(x,y) =- ψ(y,x)

O spin dos férmions é semi-inteiro ou fracionário. Isso está em contraste com os bósons que têm spin com um valor inteiro.

Leptons e Quarks

Entre os férmions, dois grupos podem ser distinguidos: léptons e quarks. A família dos léptons é composta pelo elétron, o múon e a tau, além de três neutrinos, cada um associado a uma das partículas mencionadas. O elétron, o múon e o tau possuem carga elétrica de -1 e podem ter spins com valores de ±1⁄2, por outro lado, os neutrinos não possuem carga elétrica e possuem spins de 1⁄2. Os neutrinos têm massas pequenas em comparação com outros léptons e interagem muito pouco com a matéria. Outra coisa que distingue os léptons é que eles não experimentam uma força nuclear forte, ou seja, não possuem carga de cor.

Os quarks são outro tipo de férmions, essa família é formada por seis tipos de quarks denominados “up”, “down”, “charm”, “strange”, “top” e “bottom”. Todos os quarks têm um spin de 1⁄2, no entanto, as coisas mudam quando falamos de sua carga elétrica. Os quarks up, charm e top têm uma carga elétrica de 2⁄3, enquanto a carga elétrica dos quarks down, strange e bottom é igual a -1⁄3. Ao contrário dos leptons, os quarks têm uma carga de cor e podem interagir através da força nuclear forte. A união de diferentes quarks por meio de glúons permite que eles formem outro tipo de partículas subatômicas que compõem a matéria.

Hádrons: mésons e bárions

Quando os quarks se juntam com a ajuda de glúons, eles formam uma grande variedade de partículas subatômicas. Os hádrons são partículas subatômicas que resultam da união de diferentes quarks, estes por sua vez se dividem em dois tipos denominados “bárions” e “mésons”.

Bárions são partículas subatômicas formadas por três quarks. Um exemplo de bárions são os prótons e nêutrons que compõem os núcleos atômicos. Um próton é formado por dois quarks up e um quark down. A soma das propriedades desses quarks dá ao próton suas características, que são uma carga elétrica de +1 e um spin de 1⁄2. Por outro lado, o nêutron é composto de 2 quarks down e um quark up e, como o próton, a soma das propriedades desses quarks dá a ele sua carga elétrica neutra e seu spin de 1⁄2. Devido ao seu spin semi-inteiro, os bárions se comportam como férmions, ou seja, obedecem à Estatística de Fermi-Dirac e ao Princípio de Exclusão de Pauli.

Os mésons são outro tipo de hádron formado por um quark e um antiquark. Um méson pode ou não ter uma carga elétrica, e seu spin tem um valor inteiro. Esta última propriedade faz com que os mésons se comportem como bósons e pode ser descrita pela Estatística de Bose-Einstein.

Artigo de: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado em Física. Cursando Mestrado em Engenharia e Física Biomédica.

Referencia autoral (APA): Zamora Ramírez, A.. (Julho 2023). Conceito de Férmion. Editora Conceitos. Em https://conceitos.com/fermion/. São Paulo, Brasil.

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