0046. Perché il deuterio non si comporta come un fermione?

Il nucleo di un atomo può essere un bosone oppure un fermione. Dipende dal numero dei suoi protoni e neutroni. Pari bosone e dispari fermione. Quindi un nucleo di deuterio corrisponde ad un bosone. La domanda è: come mai il deuterio non si comporta come un bosone? (Ilario Dallara)

È vero che il nucleo di deuterio ha spin intero (uguale a 1) e quindi dev considerarsi un bosone. Tuttavia, per metterne in evidenza il comportamento bosonico occorre considerare un insieme di bosoni e non si riesce (almeno fino ad oggi) ad avere un insieme di nuclei di deuterio; tecnicamente si può solo manipolare un insieme di atomi di deuterio, anzi di molecole. Il deuterio a temperatura ambientale è un gas altamente infiammabile formato da molecole biatomiche ( punto di ebollizione (transizione liquido-gas) a -250 gradi centigradi e punto di liquefazione (transizione solido-liquido) a -254 gradi centigradi). Per vedere comportamenti bosonici o fermionici occorre portare il sistema alle basse temperature (almeno allo stato liquido) in modo da congelare tutti i moti interni degli atomi e delle molecole ed essere sensibili solo alla natura bosonica o fermionica dei componenti atomici e molecolari (protoni, neutroni,elettroni). In queste condizioni però interviene anche la presenza degli elettroni, uno per ogni atomo di deuterio, il che rende ogni atomo in pratica simile a un fermione e ogni molecola simile a un bosone. Se si riuscisse a intrappolare un insieme di sole molecole di deuterio allo stato liquido si potrebbe mettere in evidenza un comportamento bosonico. Invece per l'elio (monoatomico e con due elettroni per atomo, appaiati a spin totale nullo) contano davvero solo i protoni (due) e i neutroni (uno o due, a seconda che si tratti di elio-3 o elio-4) e quindi si possono constatare comportamenti fermionici (elio-3) o bosonici (elio-4) dei nuclei di elio alle basse temperature. Gli esperimenti realizzati negli anni recenti a dimostrazione della condensazione di Bose-Einstein utilizzano atomi quali il litio-7, il sodio-23 e il rubidio-87, in cui il numero dispari di elettroni (rispettivamente 3, 11 e 37) viene parificato dal numero dispari di protoni e neutroni.

Sigfrido Boffi - Fisico