Diese komplizierte Verschiebung der Energieniveaus führt dazu, dass es im Periodensystem Nebengruppenelemente gibt – wenn ihr die Erklärung hier nehmt und ein Periodensystem danebenhaltet, könnt ihr sehen, dass das gut zusammenpasst. (Und wenn ihr es ausführlicher wissen wollt, wisst ihr ja, welches Buch ihr euch noch schnell zu Weihnachten wünschen könnt – Ka-chingg!)
Im Wasserstoff (das einen Atomkern mit nur einem Proton hat) mit einem Elektron ist die erste Schale halbvoll, deswegen geht Wasserstoff gern chemische Bindungen ein. Helium (mit zwei Protonen (und zwei Neutronen) im Atomkern) hat zwei Elektronen auf der innersten Schale (die beiden haben entgegengesetzten Spin und sind deshalb nicht im selben Zustand) – ein drittes hätte dort keinen Platz und muss auf die nächste Schale, die aber energetisch ungünstig ist – und weil ein Helium-Atom mit drei Elektronen auch noch negativ geladen wäre (wegen der zwei Protonen im Kern), ist ein Helium-Atom mit drei Elektronen instabil. Deswegen ist Helium ja auch ein Edelgas.
Ein stabiles Element mit drei Elektronen ist das Lithium – es hat drei Protonen im Kern (mit passenden Neutronen dazu) – aber nicht alle drei zugehörigen Elektronen finden auf der innersten Schale (also im energetisch günstigsten Zustand) Platz – eins der Elektronen muss auf die nächst höhere, energetisch ungünstigere Schale ausweichen. Und so geht es im Periodensystem weiter – je mehr Elektronen ein Element hat, desto höherenergetisch sind die Zustände, die die Elektronen einnehmen müssen.
Wären Elektronen Bosonen, dann könnten sie aber immer alle auf die innerste Elektronenschale, egal wie viele es sind. Chemische Bindungen würde es trotzdem geben können, soweit ich sehe – denn auch beim Wasserstoff ist es ja energetisch günstig, wenn sich zwei Atome die Elektronen teilen. Das liegt letztlich daran, dass sich die Elektronen dann bevorzugt zwischen den Atomen aufhalten können, was energetisch günstig ist, weil sich dort die beiden elektrischen Ladungen der Protonen überlagern. (Ausführlich habe ich das hier erklärt.) Aber wenn wir drei Wasserstoffatome zusammenfügen würden, dann könnten sich die Elektronen über alle drei verteilen, ohne dass – wie in unserer Welt – das Pauliprinzip das verhindert. Und so geht es auch mit 4, 5 oder 1000 Wasserstoffatomen weiter. Wasserstoff wäre damit – wenn ich es mir korrekt überlegt habe – ein Metall. Und das würde auch für jedes andere Element gelten – es wäre immer möglich, die Elektronen einfach gleichmäßig über alle Atome zu verteilen, so dass erst mal alle Elemente metallisch wären.
Das bosonische Metall hätte allerdings deutlich andere Eigenschaften als die Metalle, die wir kennen – beispielsweise wäre seine Wärmekapazität etwa hundert Mal höher als die von normalen Metallen, weil alle Elektronen thermische Energie aufnehmen können. In einem normalen Metall ist das anders, denn die Elektronen besetzen unterschiedliche energetische Zustände, und die meisten von ihnen haben sehr niedrige Energien und können deshalb nur mit sehr großen Energiebeträgen angeregt werden, weil alle Zustände um sie herum besetzt sind (eben wegen des Pauli-Prinzips). (Ach ja, ratet mal, in welchem Buch das erklärt wird…) Auch die elektrische Leitung würde in so einem Metall deutlich anders funktionieren – denn auch hier sind es in unserer Welt nur die Elektronen mit der höchsten Energie, die daran beteiligt sind. In einem bosonischen Metall wären alle Elektronen beteiligt – ich kann allerdings im Moment nicht abschätzen, welche Konsequenz das für die Leitfähigkeit hätte, aber unverändert dürfte sie nicht bleiben. (Sie wird aber nicht einfach um einen Faktor 100 steigen – es sind zwar mehr Elektronen beteiligt, aber die haben kleinere Geschwindigkeiten, weil in unserer Welt das Pauli-Prinzip Elektronen in Zustände mit hoher Geschwindigkeit zwingt. Das bosonische Elektronen-Metall würde sich ein wenig wie das klassische Drude-Modell von Metallen verhalten.)
Allerdings könnte noch etwas anderes passieren: Wenn alle Elektronen Bosonen sind, dann können sie auch bei der elektrischen Leitung alle in denselben Zustand gehen. Zumindest bei halbwegs niedrigen Temperaturen würde damit jedes Metall zum Supraleiter (ohne solche Effekte wie Cooper-Paarbildung zu bemühen.) Leider fehlt mir gerade jede Idee, wie man abschätzen kann, bei welchen Temperaturen das passieren würde.
Kommentare (31)