Unterscheiden sich Fermionen und Bosonen grundlegend?

Wenn sich zwei Atome nur durch den Spin ihrer Kerne unterscheiden, dann sind ihre individuellen Eigenschaften fast identisch, aber ihre kollektiven Eigenschaften sind extrem unterschiedlich.

Chemiker betrachten oft einzelne Atome (oder häufiger Moleküle). Im Fall einzelner Wasserstoff- und Deuteriumatome sind ihre elektronischen Eigenschaften identisch (mit Ausnahme der Hyperfeinspuckung ihrer elektronischen Energieniveaus aufgrund der Spin-Spin-Kopplung zwischen den Elektronen und den Kernen). Praktisch gesehen ist der einzige wichtige Unterschied der Massenunterschied aufgrund des zusätzlichen Neutrons.

Aber sobald Sie ein paar von ihnen zusammenstellen und die Temperatur so weit senken, dass Quanteneffekte (insbesondere die Mehrfachbelegung von Energieniveaus) signifikant werden, werden ihre extrem unterschiedlichen Vielteilcheneigenschaften offensichtlich. Beispielsweise sind neutrale Wasserstoffatome Bosonen und können im Prinzip Bose-Einstein-kondensieren, während neutrale Deuteriumatome Fermionen sind und stattdessen (in guter Näherung) ein freies Fermi-Gas bilden, das ganz andere Eigenschaften hat. Aus diesem Grund ist es äußerst wichtig, dass Experimentatoren mit kalten Atomen, die versuchen, Bose-Einstein-Kondensate zu bilden, die richtigen Isotope der Atome erhalten, die sie zu kondensieren versuchen.

Für Chemiker,${}^3\mathrm{He}$und${}^4\mathrm{He}$sind nur zwei Isotope desselben Elements. Aber die Tatsache, dass das eine ein Fermion und das andere ein Boson ist, ist in der Kryotechnik sehr wichtig:

Wenn Sie Flüssigkeit zu sich nehmen${}^4\mathrm{He}$bei 4,2 K und du pumpest es auf, bekommst du eine Superflüssigkeit von${}^4\mathrm{He}$mit einer Supraleitungs-/Flüssigkeitstemperatur von 1,4 K. Dieses Superfluid ist bemerkenswert (wie der Foutain-Effekt).

Wenn Sie dasselbe mit tun${}^3\mathrm{He}$, erhalten Sie nicht dieses Suprafluid, sondern ein anderes Verhalten (Fermi-Flüssigkeit unter bestimmten Umständen), das nicht die superfluiden Eigenschaften hat (wie zum Beispiel den Fontäneneffekt).

Bearbeiten: Nur um die Zahl auszudrücken, hier sind die beiden Phasendiagramme bei niedriger Temperatur von${}^4\mathrm{He}$und${}^3\mathrm{He}$. Wie Sie sehen können, sind sie sowohl im Aussehen als auch in der Reichweite sehr unterschiedlich. Es ist zu beachten, dass die Supraflüssigkeit einfließt${}^3\mathrm{He}$sind Paarkondensation und nicht Heliumatomkondensation.

Helium 4 Phasendiagramm:

Helium 3 Phasendiagramm:

Quelle der Phasendiagramme: LTL/Helsinki University of Technology .

Nehmen wir ein weiteres Paar sehr ähnlicher Teilchen - ein Helium-4-Atom und ein Helium-3-Atom. Unter den meisten Umständen gibt es kaum einen Unterschied zwischen ihnen, aber sobald wir anfangen, eine Situation zu betrachten, in der die fermionische/bosonische Natur wichtig ist, dh Suprafluidität, entdecken wir, dass es einen großen Unterschied zwischen ihnen gibt.

Im Prinzip würden Wasserstoff und Deuterium ähnliche Unterschiede aufweisen, obwohl meines Wissens keines davon schlüssig beobachtet wurde, dass es eine Supraflüssigkeit bildet.

Die Fermion/Boson-Unterscheidung spielt nur unter Umständen eine Rolle, in denen ein großer Unterschied zwischen der Fermi-Dirac- und der Bose-Einstein-Verteilung besteht. Im Alltag ist dies oft nicht der Fall, da sich bei hohen Energien beide Verteilungen der Boltzmann-Verteilung annähern und sich beide ähnlich verhalten.