ספין ועקרון האיסור: למה בכלל יש כימיה

לחלקיקים יש תכונה שאין לה מקבילה קלאסית ושמה ספין. השם מטעה: הוא נבחר כי בהתחלה חשבו על סיביב עצמי, אבל אלקטרון אינו כדור שמסתובב. ספין הוא תכונה מובנית, כמו מטען חשמלי, שגורמת לחלקיק להתנהג כמו מגנט זעיר ושמגיעה בערכים בדידים בלבד.

ב־1922 הדגימו אוטו שטרן ּוַולטר גרלך את הבדידות הזאת בצורה יפה: הם שלחו אלומת אטומים דרך שדה מגנטי לא אחיד. קלאסית, האטומים היו אמורים להתפזר על פני רצף. במקום זה האלומה נחצתה לשתיים בדיוק — מעלה ומטה, ותו לא. ראוי לדייק: באותה עת איש לא ידע שזה ספין, והם חשבו שהם בודקים משהו אחר. רק ב־1925, כשג'ורג' אולנבק וסמואל חאודסמיט הציעו את רעיון הספין, התבררה משמעות התוצאה.

שתי משפחות של חלקיקים: לפי הספין, כל חלקיקי הטבע מתחלקים לשתי משפחות שמתנהגות הפוך:

משפחה — דוגמאות — הכלל החברתי שלה; פרמיונים — אלקטרון, פרוטון, נייטרון, כלומר חומר — שני חלקיקים זהים לא יכולים להיות באותו מצב בדיוק; בוזונים — פוטון, כלומר כוחות ואור — אין הגבלה. אדרבה, הם "אוהבים" להצטופף באותו מצב

הכלל הראשון נקרא עקרון האיסור של פאולי (1925 והוא), אולי החוק הכי חשוב שלא שמעת עליו.

מה הוא עושה בשבילנו: הוא יוצר את הטבלה המחזורית. אילו אלקטרונים היו רשאים להצטופף כולם ברמת האנרגיה הנמוכה, כל האטומים היו נראים בערך אותו דבר, ולא הייתה כימיה. אבל כל

רמה "מתמלאת" ואז האלקטרון הבא נאלץ לעלות לרמה גבוהה יותר. מבנה המילוי הזה הוא בדיוק המבנה של הטבלה המחזורית, וההתנהגות הכימית של יסוד נקבעת על ידי כמה אלקטרונים יש לו ברמה החיצונית. כל הכימיה, כל הביולוגיה, את — נגזרות מכלל הזה.

הוא נותן לחומר נפח. כשאת נשענת על שולחן, את לא נעצרת בגלל דחייה חשמלית בלבד, אלא בעיקר כי האלקטרונים שלך והאלקטרונים של השולחן פשוט אינם רשאים להיות באותם מצבים. ה"מוצקות" של חומר היא, במידה רבה, עקרון האיסור. הוא מחזיק כוכבים. כשכוכב מכלה את דלקו והוא קורס, מה שעוצר אותו הוא לחץ שנובע מעקרון האיסור. ככה מתקיים ננס לבן, וככה מתקיים כוכב נייטרונים. כשגם זה לא מספיק — נוצר חור שחור.

ומהצד השני, דווקא ההעדר של הכלל אצל בוזונים הוא זה שמאפשר לייזר: המון פוטונים בדיוק באותו מצב, אותו צבע, אותה פאזה, נעים יחד. אור רגיל הוא קהל; לייזר הוא מקהלה.