¿El deuterio es un bosón o un fermión?

El núcleo de deuterio es un bosón, con espín$\hbar$(y paridad positiva). A diferencia de otros núcleos estables, el deuterio no tiene estados excitados ligados; sin embargo, si lo hiciera, también tendrían un giro entero.

El átomo de deuterio es un fermión, que puede tener espín$\frac12\hbar$o$\frac32\hbar$, que se combinará con el momento angular orbital (que es cero en el estado fundamental). Sin embargo, el espín atómico total no es un buen número cuántico en un campo magnético distinto de cero: dado que el electrón y el núcleo tienen diferentes momentos magnéticos, puede usar la energía magnética para saber cuál está polarizado de qué manera y no puede generar una correcta. mezcla simétrica o antisimétrica donde se superpone el espín de cada uno.

La molécula de deuterio , como todas las moléculas diatómicas, es un bosón. Los electrones se combinan en un singlete de espín antisimétrico. Los dos núcleos deben combinarse simétricamente, porque son bosones idénticos. Ese requisito introduce un acoplamiento entre el espín nuclear y el número cuántico del momento angular molecular.$L$, porque una molécula con momento angular orbital$L$tiene un cambio de signo$(-1)^L$bajo paridad. Esto significa que los estados de espín simétricos, llamados "ortodeuterio" con espín 0 o espín$2\hbar$, solo puede tener incluso$L$, mientras que el estado antisimétrico "paradeuterio" con espín$\hbar$debe tener impar$L$. Esto significa que cuando el deuterio se enfría cerca del cero absoluto, es imposible eliminar todo el momento angular nuclear; genera ortodeuterio puro, pero tiene una fracción de spin-2 que no se puede eliminar.

Este comportamiento es muy diferente al de las moléculas de dihidrógeno ordinarias, donde los núcleos son fermiones. En ese caso, el estado fundamental es parahidrógeno, con espín cero e incluso$L$, y el enfriamiento del hidrógeno líquido o sólido eventualmente produce un material sin ningún momento angular. Esto marca una gran diferencia en las capacidades caloríficas del hidrógeno frío y el deuterio frío, y también en su interacción con los sistemas de espín de baja energía, sobre todo los neutrones fríos.

Si llamara a su proveedor de gas y ordenara un cilindro de deuterio, obtendría$\mathrm{D_2}$gas, que son los bosones. Y la razón por la que el deuterio frío actúa de manera diferente al hidrógeno frío es que el núcleo de deuterio obedece a las estadísticas de Bose-Einstein, mientras que el núcleo de hidrógeno obedece a las estadísticas de Fermi-Dirac: las dos moléculas tienen la misma configuración electrónica. Si me apuntaras con un arma a la cabeza y me obligaras a marcar "bosón o fermión" sin ningún otro contexto, diría que le disparan a bosón en medio de esta pequeña conferencia.

Protones, electrones y neutrones también.

El hidrógeno es un bosón, el deuterio es un fermión.