Sämtliche Teilchen lassen sich in Fermionen und Bosonen einteilen. Zu welcher Klasse ein Teilchen gehört, hängt von einer Quantenzahl ab: dem Eigendrehimpuls (Spin). Fermionen haben einen halbzahligen Spin, also 1/2, 3/2 … Zu ihnen gehören die Atombausteine Elektron, Proton und Neutron sowie alle Atome mit einer ungeraden Zahl an Neutronen. Bosonen sind Teilchen mit ganzzahligem Spin: Photonen, Mesonen sowie Atome mit gerader Neutronenzahl. So ist Helium-4 mit zwei Neutronen ein Boson, Helium-3 mit einem Neutron ein Fermion. Bei Raumtemperatur unterscheiden sich bosonische und fermionische Gase nicht: Die Teilchen sind über alle verfügbaren Zustände gleichmäßig verteilt. Bei sehr tiefen Temperaturen ist das anders: Bosonen können sich dann in großer Zahl im gleichen Quantenzustand ansammeln und ein Kondensat bilden. Fermionen hingegen sind Einzelgänger: Nur jeweils ein Teilchen darf sich in einem bestimmten Quantenzustand aufhalten (Paulis Ausschließungsprinzip). Die verfügbaren Energiezustände füllen sich also nacheinander auf und bilden keinen makroskopisch besetzten Quantenzustand.
Allgemein
Gut zu wissen: Bosonen und Fermionen19. Juli 2011
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