Puntdeeltjes

[Bladerunner]

Volgens het Pauli-exclusion principle zijn alle deeltjes die er aan voldoen deeltjes met een spin van 1/2. Dat zijn dus de groep der Fermionen waartoe ook de bouwstenen van materie behoren. Maar Bosonen hebben een spin die uit een heel getal bestaat. Het Higgs Boson heeft een spin van 0 en is daarom een richtingloos scalar veld. Een gluon, foton en de W en Z Bosons hebben een spin van 1 en dat is dus een vector veld met één richting. (Ze gaan van deeltje naar deeltje als ze voor de interactie tussen die deeltjes zorgen zoals de sterke kernkracht, elektromagnetisme en de zwakke elektrokracht.)
En tenslotte heeft het hypothetische graviton een spin van 2 omdat hier sprake is van een tensor veld met twee richtingen.
 
Maar alle deeltjes met een spin van 1/2, of beter: een niet hele spin, behoren niet tot één van de bovenstaande 'veld deeltjes' (maar worden er wel door beïnvloed) en hun spin getal verhinderd dat zij vrij door elkaar zouden bewegen en dus kunnen ze 'botsen' of elkaar afstoten. De reden dat zij onderhevig zijn aan het Pauli-exclusion principle zou je fysiek kunnen noemen, maar de enige kwantumparameter die dat bepaalt is de spin waarde want het proton dat een fysieke 'structuur' heeft terwijl een elektron dat niet heeft zijn beide onderworpen aan het Pauli-exclusion principle.
 
Het woord 'spin' komt overigens uit de tijd dat wij dachten dat deeltjes daadwerkelijk rond draaiden. Maar die vergelijking gaat niet helemaal op. Deeltjes vertonen wel een soort 'hoek-momentum' dat lijkt op draaien en het is dus eigenlijk dit momentum-effect dat verhinderd dat sommige deeltjes op de zelfde plek kunnen vertoeven.
 
Alle samengestelde deeltjes die uit een oneven aantal quarks bestaan (dat zijn de baryonen c.q. materie) hebben een niet-hele spin waarde. Maar als een deeltje uit een even aantal quarks bestaat (dat zijn de Mesonen) is de spin er van een heel getal. De gecombineerde spin van de quarks kan dus een deeltje opleveren met Boson eigenschappen of Fermion eigenschappen ondanks het feit dat een individuele quark altijd de Fermion eigenschap bezit.
 
Het Pauli-exclusion principle heeft het ook niet perse over 'een plek' maar over de kwantum waarden die het deeltje bezit. Zoals spin, lading en positie. Als je nu twee de zelfde deeltjes hebt (b.v. een proton) en dat proton maakt deel uit van een atoomkern dan kun je niet meer spreken van een waarschijnlijkheid wat de positie etc. betreft maar een zekerheid want anders zou die atoomkern onstabiel zijn. Een atoomkern (of molecuul) heeft heel andere eigenschappen dan een vrij deeltje. Zo kan het bijvoorbeeld een vaste plek innemen in een kristalstructuur waarbij het niet willekeurig 'beweegt' maar wel trilt. Dit ligt dan weer anders bij het elektron dat rond die kern vliegt en binnen één en de zelfde elektronenschil kunnen dan geen twee elektronen exact de zelfde kwantumwaarden aannemen en is hun positie onbepaald. Vandaar dat we dan ook over de 'elektronenwolk' spreken.
 
Maar het is zelfs mogelijk dat een atoom zich 'bosonisch' gedraagt zoals het Helium-4 isotoop dat een spin van nul heeft.