الإلكترونات المنغمسة في مجال كهربائي للنواة تشبه كرات القدم المنغمسة في واد مبلل بالماء. وعلى احسن ما يكون، يجب أن تجري الكرات بسرعة باتجاه أسفل التلة إلى المكان الأكثر استقراراً؛ وهو المدار الداخلي. ولكن إذا كان ذلك ما تقوم به الإلكترونات، فكل الذرات ستكون تقريباً: بنفس الحجم. بشكل أكثر دقة، بما أن الإلكترونات الخارجية هي التي تحدد كيف تتماسك الذرة، فإن كل الذرات ستترابط بالضبط بنفس الطريقة. فالطبيعة لها نوع واحد من حجر لعبة الليغو لكي تلعب به والعالم هو بالواقع المكان الأكثر غباء.

والذي ينقذ العالم من كونه المكان الغبي هو مبدأ الاستثناء لباولي. فإذا كانت الإلكترونات بوزونات، فبالتأكيد هذا صحيح حيث ان إلكترونات الذرة ستتراكم على بعضها البعض في المدار الداخلي. لكن الإلكترونات ليست بوزونات بل فيرميونات؛ والتي تشمئز لكونها مزدحمة مع بعضها. كيف يحدث ذلك، هناك انواع مختلفة من الذرات لها اعداد مختلفة من الإلكترونات (وبالتأكيد انها متوازنة بعدد متساو من البروتونات في نوياتها). فمثلاً الذرة الاخف – الهيدروجين – لها إلكترون واحد، والاثقل في الطبيعة – اليورانيوم – لها 92 إلكترون. وهنا تبدو النواة غير مهمة. ركّز بدلاً من ذلك على الإلكترون. في البداية، تصوّر ذرة هيدروجين، وبعد ذلك أضف إلكتروناً واحداً في كل مرة. فالمدار الأول هو الداخلي، وهو الأقرب إلى النواة. وبينما تضاف الإلكترونات، فإنها ستذهب أولاً إلى هذا المدار. وبعد ان يكتمل ولا يعود بإمكانه استيعاب المزيد من الإلكترونات، ستنتقل الإلكترونات إلى المدار اللاحق الأبعد عن النواة. وبامتلاء المدار، سيمتلئ المدار الذي يليه وهكذا.

كل المدارات الموجودة في مسافات محددة من النواة – مع اعداد كمية مختلفة الاتجاهات – يقال عنها القشرة. والعدد الاقصى للإلكترونات لتتواجد في القشرة الداخلية هو اثنان إلكترون واحد يبرم مع اتجاه عقارب الساعة والآخر يبرم عكس اتجاه عقارب الساعة. وذرة الهيدروجين لها إلكترون واحد في هذه القشرة. ولذرة الهيليوم إلكترونان في نفس القشرة.

والذرة التي تليهما هي الليثيوم، فلها 3 إلكترونات. بما أنه لا يوجد مكان لأكثر من إلكترونين في المدار الداخلي، فالإلكترون الثالث يبدأ مع قشرة جديدة أبعد عن النواة (مدار جديد). ان سعة هذه القشرة (المدار) هي: ثمانية إلكترونات. وبالنسبة للذرات التي تحتوي على أكثر من عشرة إلكترونات، ستمتلئ هذه القشرة، وبعد ذلك ستبدأ قشرة أخرى أبعد عن النواة بالامتلاء بالإلكترونات.

وحسب مبدأ الاستثناء لباولي الذي يمنع أكثر من إلكترونين ان يكونا بنفس المدار – من أن تكون لديهما نفس الاعداد الكمية – فإنه هو السبب الذي يجعل الذرات مختلفة عن بعضها البعض. وكذلك إنه المسؤول عن صلابة المادة. كما قال ريتشارد فينمان: "انها الحقيقة بأن الإلكترونات لا تستطيع ان تعتلي على الأخرى لتصنع طاولات أو أي شيء صلب". وبما أن الأسلوب الذي تسلكه الذرة – أي تماثلها – يعتمد على الإلكترونات الخارجية، فالذرات التي لها اعداد متشابهة من الإلكترونات في قشراتها الخارجية تميل لأن تسلك الطريق نفسه. فالليثيوم الذي لديه 3 إلكترونات لديه واحد من إلكتروناته على القشرة الخارجية. وأيضاً الصوديوم لديه 11 إلكتروناً. يترابط الليثيوم مع الصوديوم بأنواع متشابهة من الذرات ولهما صفات متماثلة.

والكثير من الفيرميونات تخضع لمبدأ الاستثناء لباولي. فماذا عن البوزونات؟ هذه الجسيمات لا يطبق عليها مبدأ الاستثناء، وتوصف بانها مختلفة جداً، ابتداءً بالليزر ومروراً بالتيارات الكهربائية الدائمة الجريان، وانتهاء بالسوائل التي تجري في أعلى التلة.

مواضيع ذات صلة

خواص الذرات

البنية الإلكترونية للذرات

الذرات

Linear systems

Confined waves, with natural frequencies

The reflection of waves

Einstein’s laws of radiation

The Boltzmann law

Energy levels

The size of an atom

Bremsstrahlung

Synchrotron radiation