Fermión para niños
Un fermión es un tipo de partícula muy pequeña que forma la materia que nos rodea. Son como los ladrillos fundamentales de todo lo que existe. La otra clase principal de partículas son los bosones.
Los fermiones tienen una característica especial llamada "espín" que es como una rotación interna. Para los fermiones, este espín siempre es un número "semientero" (como 1/2, 3/2, etc.). Gracias a esta propiedad, los fermiones siguen una regla muy importante llamada el principio de exclusión de Pauli. Esta regla dice que dos fermiones idénticos no pueden ocupar el mismo "estado cuántico" al mismo tiempo. Imagina que cada fermión necesita su propio asiento único en un concierto.
El nombre "fermión" se puso en honor al científico italiano Enrico Fermi, quien hizo grandes aportaciones a la física de estas partículas.
Contenido
¿Qué son los fermiones y cómo se comportan?
Los fermiones son las partículas que construyen la materia. En el Modelo Estándar de la física, que es como el mapa de las partículas más pequeñas, hay dos tipos principales de fermiones fundamentales:
- Los cuarks: Son las partículas que forman los protones y los neutrones, que a su vez están en el centro de los átomos.
- Los leptones: Incluyen partículas como los electrones, que giran alrededor del núcleo de los átomos.
Los fermiones interactúan entre sí gracias a los bosones, que son las partículas que transmiten las fuerzas.
Fermiones elementales y compuestos
Algunos fermiones son "elementales", lo que significa que no se pueden dividir en partes más pequeñas. El electrón es un ejemplo de fermión elemental. Otros fermiones son "compuestos", es decir, están hechos de varias partículas más pequeñas. Por ejemplo, un protón es un fermión compuesto por tres cuarks.
La regla del espín es clave: las partículas con espín semientero son fermiones, mientras que las que tienen espín entero son bosones.
El principio de exclusión de Pauli
La característica más importante de los fermiones es que obedecen el principio de exclusión de Pauli. Esto significa que dos fermiones idénticos no pueden estar en el mismo lugar y tener exactamente las mismas propiedades al mismo tiempo. Esta regla es fundamental para que la materia sea sólida y tenga una forma definida. Sin ella, los átomos se colapsarían y no existiría la química tal como la conocemos.
Los fermiones son los responsables de la "impenetrabilidad" de la materia. Por ejemplo, no puedes atravesar una pared porque los electrones de tu mano y los de la pared no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo.
Comportamiento especial de los fermiones
Aunque los fermiones suelen formar la materia, en condiciones muy especiales, como a temperaturas extremadamente bajas, pueden mostrar comportamientos sorprendentes. Por ejemplo, pueden volverse "superfluidos" (fluir sin ninguna resistencia) o "superconductores" (conducir electricidad sin perder energía).
Historia del descubrimiento de los fermiones
El estudio de los fermiones es parte de la historia de cómo entendemos el universo a nivel más pequeño.
- Principios del siglo XX: La idea de que la energía se presenta en "paquetes" (cuantos) fue introducida por Max Planck a principios de 1900. Esto sentó las bases de la mecánica cuántica.
- 1924: Los científicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein desarrollaron una forma de describir el comportamiento de las partículas que pueden ocupar el mismo estado cuántico, a las que hoy llamamos bosones.
- 1926: Wolfgang Pauli propuso su famoso principio de exclusión. Esta fue una idea crucial que ayudó a definir a los fermiones, al decir que dos de ellos no pueden estar en el mismo estado.
- 1927: El físico Enrico Fermi fue quien le dio el nombre de "fermión" a este tipo de partículas, reconociendo su trabajo en cómo se comportan estadísticamente.
- 1928: Fermi y Paul Dirac desarrollaron de forma independiente la "estadística de Fermi-Dirac", que explica cómo se distribuyen partículas como los electrones, protones y neutrones.
- Década de 1940: El desarrollo de la "teoría cuántica de campos" ayudó a entender mejor a los fermiones. La ecuación de Dirac, creada por Paul Dirac en 1928, incluso predijo la existencia de la antimateria.
- Década de 1970: El Modelo Estándar clasificó a los fermiones en los dos grupos que conocemos hoy: cuarks y leptones.
- Actualidad: Los científicos siguen investigando el comportamiento de los fermiones, especialmente en áreas como los materiales especiales y la búsqueda de la materia oscura en el universo.
¿Cómo se describen los fermiones en la física cuántica?
En la mecánica cuántica, las "funciones de onda" de los fermiones son "antisimétricas". Esto significa que si intercambias dos fermiones idénticos, la función de onda cambia de signo. Esta propiedad es la que asegura que los fermiones sigan el principio de exclusión de Pauli, impidiendo que dos de ellos ocupen el mismo estado cuántico.
Las partículas compuestas también pueden ser fermiones o bosones, dependiendo de cuántos fermiones elementales las formen:
- Si una partícula compuesta tiene un número par de fermiones (como los mesones), se comporta como un bosón.
- Si una partícula compuesta tiene un número impar de fermiones (como los bariones o el núcleo de carbono-13), se comporta como un fermión.
El número de bosones que contenga una partícula compuesta no afecta si esta será un fermión o un bosón.
Fermiones elementales: Cuarks y Leptones
Los fermiones elementales, que son los más básicos, se dividen en dos grandes familias:
- Cuarks: Son los que forman las partículas del núcleo de los átomos (protones y neutrones). Son los únicos que experimentan la interacción nuclear fuerte, que es la fuerza que mantiene unido el núcleo.
- Leptones: Incluyen a los electrones y otras partículas como los neutrinos. Interactúan principalmente a través de la interacción electrodébil, que es una combinación de la fuerza electromagnética y la fuerza débil.
La mayor parte de la masa de la materia que vemos a diario proviene de los fermiones. El principio de exclusión de Pauli es clave para la estabilidad de los orbitales atómicos y para que la química sea posible.
Fermiones supersimétricos (hipotéticos)
En algunas teorías avanzadas de la física, como la "supersimetría", se propone que existen aún más fermiones elementales. Estas teorías sugieren que por cada bosón conocido, podría haber un "supercompañero" fermiónico, llamado "bosino", y viceversa. Por ejemplo, el supercompañero del gravitón (una partícula hipotética que transmite la gravedad) se llamaría "gravitino".
Hasta ahora, no se ha comprobado experimentalmente la existencia de estas partículas supersimétricas. Si existen, se cree que tendrían una masa muy grande y solo podrían detectarse con aceleradores de partículas muy potentes. Se espera que la partícula supersimétrica más ligera (LSP) pueda ser un candidato para la materia oscura del universo, una sustancia misteriosa que no podemos ver directamente.
Galería de imágenes
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Distinción entre Fermiones y bosones
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Los fermiones forman una de las dos clases fundamentales de partícula subatómica, la otra es el bosón. Todas las partículas subatómicas deben ser una u otra. Una partícula compuesta (hadrón) puede pertenecer a una u otra clase dependiendo de su composición.
Véase también
- Bosón
- Partículas idénticas
- Física de partículas
- Estadística de Fermi-Dirac
