Vi siete mai chiesti perché possiamo toccare gli oggetti? Perché possiamo sollevare un libro o sbattere la testa contro un tavolo anziché passare attraverso i muri come Patrick Swayze in Ghost o la X-woman Shadowcat?
Una delle risposte più popolari a questo quesito è: “Perché i solidi sono troppo densi, non c’è spazio per passarvi attraverso”. Chi di voi ha mentalmente dato questa risposta si prepari, perché le sue certezze stanno per crollare. Signore e signori, gli atomi sono vuoti.
Per usare una suggestiva metafora di Sir Oliver Lodge, se immaginassimo un atomo come una cattedrale, gli elettroni sarebbero moscerini al suo interno. Cos’è quindi che ci impedisce di colmare tutto questo vuoto?
Sono proprio gli elettroni e il loro comportamento collettivo a determinare le proprietà fondamentali di qualunque materiale: il colore, la durezza, lo stato di aggregazione e altre amene caratteristiche. Gli atomi si legano tra loro assecondando la tendenza degli elettroni ad arrangiarsi in configurazioni stabili.
Immaginiamo questo processo come l’occupazione di un pullman, in cui i sedili sono disposti in coppie corridoio/finestrino: l’esperienza e una statistica spicciola ci insegnano che i primi passeggeri si disporranno gli uni lontani dagli altri, in modo da avere sempre un posto libero al loro fianco. I passeggeri successivi non avranno altra scelta che occupare i posti rimanenti, sino a quando tutti i posti saranno occupati. Avrete ormai capito che i posti a sedere sono i cosiddetti livelli energetici di un sistema e che i passeggeri sono gli elettroni; identifichiamo i posti vicino alla finestra con l’etichetta “spin up” e quelli vicino al corridoio con “spin down”. La procedura di scelta del posto a sedere è il cosiddetto principio di Aufbau. Come gli esseri umani, anche gli elettroni hanno bisogno del loro spazio, e due passeggeri non possono occupare lo stesso posto: questo è il principio di esclusione di Pauli*.
Ci stiamo dunque avvicinando alla soluzione: avvicinare due (o virtualmente infiniti) atomi a distanze inferiori a quelle che essi si sono spontaneamente scelti causerebbe una drastica repulsione tra gli elettroni che erano già accoppiati nei rispettivi atomi.
Tornando al nostro pullman, immaginate cosa succederebbe se la compagnia dei trasporti volesse provare a ridurre il numero di veicoli in circolazione forzando i passeggeri di un pullman in braccio ai passeggeri di un altro!

* Le particelle che obbediscono al principio di esclusione si chiamano fermioni; esistono anche i bosoni, che, non essendo soggetti al principio di esclusione, sono particelle molto più socievoli degli elettroni e possono quindi affollare il medesimo stato senza pestarsi i piedi. Le affascinanti conseguenze di questo comportamento saranno, chissà, oggetto di un prossimo post.

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