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segunda, 11 maio 2020 08:37

Bosão Destaque

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Na mecânica quântica, um bósão é uma partícula que segue as estatísticas de Bose-Einstein. Os bósões compõem uma das duas classes de partículas, a outra sendo férmiões.  O nome bosão foi cunhado por Paul Dirac para comemorar a contribuição de Satyendra Nath Bose, físico indiano e professor de física na Universidade de Calcutá e na Universidade de Dhaka no desenvolvimento, com Albert Einstein , Estatística de Bose-Einstein - que teoriza as características das partículas elementares.

 

Exemplos de bosões são partículas fundamentais como fotões, gluões e bosões W e Z (os quatro bosões de medição de força do Modelo Padrão), o recém-descoberto bosão de Higgs e o hipotético gravitacional da gravidade quântica. Algumas partículas compostas também são bosões, como mesões e núcleos estáveis ​​de número de massa par, como deutério (com um protão e um neutrão, número de massa atómica = 2), hélio-4 e chumbo-208;  e também algumas quasi partículas (por exemplo, pares de Cooper, plasmões e fonões).

Uma característica importante dos bosões é que não há restrição quanto ao número deles que ocupam o mesmo estado quântico. Essa propriedade é exemplificada pelo hélio-4 quando é resfriado para se tornar um superfluido. Ao contrário dos bosões, dois férmiões idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico. Enquanto as partículas elementares que compõem a matéria (isto é, leptões e quarks) são férmiões, os bosões elementares são portadores de força que funcionam como a "cola" que mantém a matéria unida. Essa propriedade é válida para todas as partículas com spin inteiro (s = 0, 1, 2 etc.) como consequência do teorema da estatística de spin. Quando um gás de partículas de Bose é resfriado a temperaturas muito próximas do zero absoluto, a energia cinética das partículas diminui para uma quantidade desprezível e elas se condensam no estado de nível mais baixo de energia. Esse estado é chamado de condensado de Bose-Einstein. Essa propriedade também é a explicação para a superfluidez.

Tipos

Os bosões podem ser elementares, como fotões, ou compostos, como mesões.

Enquanto a maioria dos bosões são partículas compostas, no Modelo Padrão da Física de Partículas existem cinco bosões que são elementares:

  • o modelo padrão requer (pelo menos) um bosão escalar (spin = 0)
H0
 Bosão de Higgs
  • os quatro bosões vectoriais (spin = 1) que são os bósões de medida do Modelo Padrão:

γ

   Fotão

g

   Gluões (oito tipos diferentes)

Z

   Bosão neutro e fraco

W±
  Bóson neutro e fraco (dois tipos)

Pode haver um sexto tensor do bosão (rotação = 2), o gravitão (G), que seria o portador da força da gravidade. Continua sendo uma partícula elementar hipotética, pois todas as tentativas até agora de incorporar a gravitação no Modelo Padrão falharam. Se o gravitão existe, ele deve ser um bosão e pode ser um bosão de medida.

Bosões compostos, como átomos de hélio-4, são importantes na superfluidez e em outras aplicações dos condensados ​​de Bose-Einstein.

Propriedades


Os bosões diferem dos férmiões, que obedecem às estatísticas de FermiDirac. Dois ou mais fermiões idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico (princípio de exclusão de Pauli), e às vezes se diz que eles são os constituintes da matéria "rígida" comum. Diferentemente desses casos, os casos de um bosão não têm obstrução mecânica quântica para ocupar o mesmo estado. Os bosões são frequentemente (embora não necessariamente) partículas transportadoras de força, incluindo bosões compostos, como os mesões. Dizem também que os portadores de força são as partículas que transmitem interacções ou os constituintes da radiação.

As estatísticas de Bose-Einstein implicam que, quando alguém troca dois bosões (da mesma espécie), a função de onda do sistema permanece inalterada. 

Os campos quânticos dos bosões são campos bosónicos, obedecendo às relações de comutação canónica.

As propriedades de lasers e masers, hélio superfluido-4 e condensados ​​de Bose-Einstein são todas consequências das estatísticas dos bosões. Outro resultado é que o espectro de um gás de fotões em equilíbrio térmico é um espectro de Planck, um exemplo do qual é a radiação do corpo negro; outra é a radiação térmica do Universo opaco, visto hoje como radiação de fundo por microondas. Interacções entre partículas elementares são chamadas interacções fundamentais. As interacções fundamentais dos bosões virtuais com partículas reais resultam em todas as forças que conhecemos.

Todas as partículas elementares e compostas conhecidas são bosões ou fermiões, dependendo do seu spin: Partículas com spin meio inteiro são férmiões; partículas com spin inteiro são bosões. No quadro da mecânica quântica não relativista, essa é uma observação puramente empírica. Na teoria relativística dos campos quânticos, o teorema da estatística de spin mostra que as partículas de spin meio inteiro não podem ser bosões e as partículas de spin inteiro não podem ser fermiões.

Em sistemas grandes, a diferença entre estatísticas bosónicas e fermiónicas é aparente apenas em grandes densidades - quando suas funções de onda se sobrepõem. Em baixas densidades, ambos os tipos de estatística são bem aproximados pelas estatísticas de Maxwell-Boltzmann, que são descritas pela mecânica clássica.

Bosões elementares

 

Todas as partículas elementares observadas são fermiões ou bosões. Os bosões elementares observados são todos bosões de bitola: fotões, bosões W e Z, gluões, excepto o bosão de Higgs, que é um bosão escalar.

  • Os fotões são os portadores de força do campo electromagnético.
  • Os bosões W e Z são os portadores da força que mediam a força fraca.
  • Os gluões são os portadores de força fundamentais subjacentes à força forte.
  • Os bosões de Higgs dão massa aos bósons W e Z (e outras partículas) através do mecanismo de Higgs. Sua existência foi confirmada pelo CERN em 14 de Março de 2013.

Finalmente, muitas abordagens da gravidade quântica postulam um transportador de força para a gravidade, o gravitão, que é um bosão de rotação mais ou menos dois.

Bosões compostos

Partículas compostas (como hadrões, núcleos e átomos) podem ser bosões ou fermiões, dependendo de seus constituintes. Mais precisamente, devido à relação entre spin e estatística, uma partícula contendo um número par de fermiões é um bosão, uma vez que possui spin inteiro.

Os exemplos incluem o seguinte:

  • Qualquer mesão, já que os mesões contêm um quark e um antiquark.
  • O núcleo de um átomo de carbono-12, que contém 6 protões e 6 nêutrões.
  • O átomo de hélio-4, composto por 2 protões, 2 neutrões e 2 electrões; Também o átomo de trítio, composto por 1 protão, 2 neutrões e 1 electrão.
  • O núcleo do deutério, conhecido como deutério, é uma anti-partícula.

O número de bosões dentro de uma partícula composta composta de partículas simples ligadas a um potencial não afecta se é um bosão ou um fermião.

Estados quânticos

As estatísticas de Bose-Einstein encorajam bosões idênticos a se agruparem em um estado quântico, mas nenhum estado é necessariamente conveniente para ele. Além das estatísticas, os bosões podem interagir - por exemplo, os átomos de hélio-4 são repelidos pela força intermolecular numa abordagem muito próxima e, se alguém hipotetizar sua condensação em um estado localizado espacialmente, os ganhos das estatísticas não poderão superar um potencial de força proibitivo. . É preferível um estado espacialmente deslocalizado (ou seja, com baixo | ψ (x) |): se a densidade numérica do condensado for aproximadamente a mesma que no estado líquido ou sólido comum, então o potencial repulsivo para o condensado de partículas N em tais o estado não pode ser superior ao de uma rede líquida ou cristalina das mesmas partículas de N descritas sem estatística quântica. Assim, as estatísticas de Bose-Einstein para uma partícula material não são um mecanismo para contornar restrições físicas à densidade da substância correspondente, e o hélio líquido superfluido tem uma densidade comparável à densidade da matéria líquida comum. Os estados espacialmente deslocados também permitem um baixo momento de acordo com o princípio da incerteza, daí a baixa energia cinética; é por isso que superfluidez e supercondutividade são geralmente observadas em baixas temperaturas.

Os fotões não interagem consigo mesmos e, portanto, não experimentam essa diferença nos estados onde se amontoar.

 

Referências

  1. ^ Wells, John C. (1990). Longman pronunciation dictionary. Harlow, England: Longman. ISBN 978-0582053830. entry "Boson"
  2. ^ "boson". Collins Dictionary.
  3. ^ Carroll, Sean (2007). Guidebook. Dark Matter, Dark Energy: The dark side of the universe. The Teaching Company. Part 2, p. 43. ISBN 978-1598033502... boson: A force-carrying particle, as opposed to a matter particle (fermion). Bosons can be piled on top of each other without limit. Examples are photons, gluons, gravitons, weak bosons, and the Higgs boson. The spin of a boson is always an integer: 0, 1, 2, and so on ...
  4. ^ Notes on Dirac's lecture Developments in Atomic Theory at Le Palais de la Découverte, 6 December 1945. UKNATARCHI Dirac Papers. BW83/2/257889.
  5. ^ Farmelo, Graham (25 August 2009). The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom. Basic Books. p. 331. ISBN 9780465019922.
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Ler 56 vezes Modificado em segunda, 11 maio 2020 12:58
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