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Il principio di esclusione, formulato nel 1925 dal fisico Wolfgang Pauli, stabilisce che due fermioni identici non possono occupare lo stesso stato quantico. Per questa fondamentale scoperta, Wolfgang Pauli è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 1945.
I sistemi quantistici si dividono in due famiglie, distinte dal loro spin (una proprietà quantistica simile a un momento angolare intrinseco): i fermioni e i bosoni.
I fermioni, come gli elettroni, i protoni e i neutroni, hanno spin semintero (1/2, 3/2, …). Il principio di Pauli obbliga gli elettroni negli atomi a occupare orbitali diversi, creando la struttura chimica della materia e la varietà degli elementi.
I bosoni, invece, hanno spin intero (0, 1, 2, …) e non obbediscono al principio di esclusione: pertanto possono occupare lo stesso stato quantico. Questo comportamento spiega fenomeni come la luce laser, i condensati di Bose-Einstein, la superconduttività e la superfluidità.
Per capire se una particella (o un sistema come un atomo o una molecola) sia un fermione o un bosone, si guarda alla somma degli spin: se il risultato è semintero è un fermione, se è intero è un bosone. Questo, che potrebbe sembrare solo un dettaglio, in realtà produce drastiche differenze nel comportamento di fermioni e bosoni.
Consideriamo, ad esempio, gli isotopi dell’elio: l’elio-4 (2 protoni, 2 neutroni, 2 elettroni) ha spin totale intero, quindi è un bosone, mentre l’elio-3 (2 protoni, 1 neutrone, 2 elettroni) ha spin totale semintero e, quindi, è un fermione.
Entrambi diventano superfluidi vicino allo zero assoluto, ma in modi diversi.
L’elio-4, essendo bosone, può occupare direttamente lo stesso stato quantico fondamentale, formando un condensato di Bose–Einstein superfluido.
L’elio-3, essendo fermione, non può farlo da solo, ma a temperature dell'ordine di millesimi di kelvin gli atomi si accoppiano in coppie di Cooper, che si comportano come bosoni, così da formare a loro volta un condensato superfluido.
Rappresentazione dello stato energetico fondamentale di bosoni e fermioni
Autore: Maria Bondani
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