Hielke Boers komt met een vraag voor gevorderden. “Volgens het uitsluitingsprincipe van Pauli passen er in de eerste schil van een atoom maar twee elektronen; eentje met spin op, de andere met spin neer”, mailt hij. “Waarom passen er dan acht elektronen in de tweede schil?”

Voordat we deze vraag beantwoorden eerst wat achtergrond. Dat uitsluitingsprincipe van Pauli is een regel uit de quantummechanica die zegt dat twee materiedeeltjes zich niet én op dezelfde plek én in dezelfde toestand mogen bevinden. Deze regel heeft gevolgen voor de elektronen die bij een bepaald atoom horen. Simpel gezegd: als één elektron zich al op een bepaald plekje bevindt, is dat plekje bezet en moeten andere elektronen een ander plekje opzoeken.

De zaken worden iets gecompliceerd door een quantummechanische eigenschap van deeltjes zoals het elektron: de zogenoemde spin. Die kan twee waardes hebben: op of neer. Hierdoor passen er niet één maar twee elektronen in de onderste schil; de een met spin op, de ander met spin neer. Oké, zul je nu zeggen: dus in elke schil passen twee deeltjes. Maar zoals Hielke Boers mailt: in de tweede schil kunnen er maximaal acht zitten. Waarom mag dat van Pauli?

Het geval wil dat er naast spin nog een eigenschap is die een rol speelt: de vorm van de golffunctie van een elektron, ook wel orbitaal genoemd. Voor de eerste schil is er maar één mogelijkheid: bolvormig (1s op de illustratie hierboven). Maar voor de tweede schil zijn er vier opties: er is een bolvormige orbitaal (2s) en er zijn drie verschillende haltervormige orbitalen (2p_x, 2p_y en 2p_z). Aangezien je in elk van die orbitalen een deeltje met spin op en een deeltje met spin neer kwijt kunt, passen er in totaal acht elektronen in de tweede schil.

Voor hogere schillen zijn bovendien allerlei ingewikkeldere orbitaalvormen mogelijk, waardoor daar nóg meer elektronen in passen zonder dat Pauli gaat protesteren.

Ook een vraag voor de rubriek ‘KIJK antwoordt’? Mail hem naar info@kijkmagazine.nl!