量子力学は、古典力学とは非常に異なる法則に従います。 これらの法則には、粒子が一度に複数の場所に存在する可能性があるという概念が含まれています。 位置と運動量を同時に知ることはできず、粒子は粒子としても、粒子としても機能することができます。 波。
パウリの排他原理は、古典論理に反するように見える別の法則ですが、原子の電子構造にとって非常に重要です。
粒子分類
すべての素粒子は次のように分類できますフェルミ粒子またはボソン. フェルミ粒子は半整数のスピンを持っています。つまり、正と負の1 / 2、3 / 2、5 / 2などのスピン値しか持てません。 ボソンは整数スピンを持っています（これにはゼロスピンが含まれます）。
スピンは、固有の角運動量、または粒子が外力や影響によって生成されることなく単に持つ角運動量です。 それは量子粒子に特有のものです。
パウリの排他原理フェルミ粒子にのみ適用されます. フェルミ粒子の例には、電子、クォーク、ニュートリノ、および奇数のこれらの粒子の任意の組み合わせが含まれます。 したがって、3つのクォークでできている陽子と中性子もフェルミ粒子であり、陽子と中性子の数が奇数である原子核も同様です。
パウリの排他原理の最も重要なアプリケーションである原子内の電子配置には、特に電子が含まれます。 原子におけるそれらの重要性を理解するためには、原子構造の背後にある基本的な概念である量子数を理解することが最初に重要です。
原子の量子数
原子内の電子の量子状態は、4つの量子数のセットによって正確に定義できます。 これらの数は主量子数と呼ばれますn、方位角量子数l（軌道角運動量量子数とも呼ばれます）、磁気量子数mlとスピン量子数ms.
量子数のセットは、原子内の電子を記述するシェル、サブシェル、および軌道構造の基盤を提供します。 シェルには、同じ主量子数を持つサブシェルのグループが含まれています。n、および各サブシェルには、同じ軌道角運動量量子数の軌道が含まれています。l. sサブシェルには次の電子が含まれていますl= 0、pサブシェルl= 1、dサブシェルl= 2など。
の値l範囲は0〜n-1. だからn= 3シェルには3つのサブシェルがあり、l0、1、および2の値。
磁気量子数、ml、範囲-lにl1刻みで、サブシェル内の軌道を定義します。 たとえば、p内には3つの軌道があります（l= 1）サブシェル：1つml= -1、ml= 0および1つml=1.
最後の量子数、スピン量子数ms、範囲-sにs1刻みで、ここでsは粒子に固有のスピン量子数です。 電子の場合、sは1/2です。 これの意味はすべて電子は、-1 / 2または1/2に等しいスピンしか持つことができず、同じ2つの電子はn, l、およびml量子数は反対称または反対称のスピンを持っている必要があります。
前に述べたように、n= 3シェルには3つのサブシェルがあり、l0、1、および2の値（s、p、およびd）。 dサブシェル（l= 2）のn= 3シェルには5つの軌道があります。ml=-2, -1, 0, 1, 2. このシェルにはいくつの電子が収まりますか？ 答えは、パウリの排他原理によって決定されます。
パウリの排他原理とは何ですか？
パウリの原理はオーストリアの物理学者にちなんで名付けられましたヴォルフガングパウリ、電子の数が偶数の原子が奇数の原子よりも化学的に安定している理由を説明したかったのです。
彼は最終的に、4つの量子数が必要であるという結論に達しました。 4番目の電子スピン、そして最も重要なことに、2つの電子が同じ4つの量子数を持つことはできません 原子。 2つの電子がまったく同じ状態になることは不可能でした。
これがパウリの排他原理です。同一のフェルミ粒子が同時に同じ量子状態を占めることは許可されていません。
これで、前の質問に答えることができます。電子の数は、n= 3サブシェル、5つの軌道がある場合：ml=-2, -1, 0, 1, 2? この質問では、4つの量子数のうち3つがすでに定義されています。n=3, l= 2、およびの5つの値ml. したがって、の各値についてml,の2つの可能な値がありますms：-1/2および1/2。
これは、10個の電子がこのサブシェルに収まることができることを意味します。ml. 各軌道で、1つの電子はms= -1 / 2、そして他は持っているでしょうms=1/2.
パウリの排他原理が重要なのはなぜですか？
パウリの排他原理は、電子配置と元素の周期表で原子が分類される方法を通知します。 基底状態、または原子の最低エネルギーレベルがいっぱいになり、追加の電子がより高いエネルギーレベルに強制される可能性があります。 これが、基本的に、固相または液相の通常の物質が安定したボリューム.
低いレベルが満たされると、電子は原子核に近づくことができなくなります。 したがって、原子には最小の体積があり、一緒に絞ることができる量には制限があります。
おそらく、原理の重要性の最も劇的な例は、中性子星と白色矮星に見ることができます。 これらの小さな星を構成する粒子は、信じられないほどの重力下にあります（もう少し質量が大きいと、これらの恒星の残骸はブラックホールに崩壊した可能性があります）。
通常の星では、核融合によって星の中心で生成される熱エネルギーは、それらの信じられないほどの質量によって生成される重力に対抗するのに十分な外向きの圧力を生成します。 しかし、中性子星も白色矮星も核融合を起こしません。
これらの天体が自重で崩壊するのを防ぐのは、縮退圧力と呼ばれる内圧であり、フェルミ圧力としても知られています。 白色矮星では、星の粒子が非常にくしゃくしゃになっているため、互いに近づくには、それらの電子の一部が同じ量子状態を占める必要があります。 しかし、パウリの排他原理は、彼らができないと言っています！
中性子（星全体を構成する）もフェルミ粒子であるため、これは中性子星にも当てはまります。 しかし、それらが近づきすぎると、同じ量子状態になります。
中性子縮退圧力は電子縮退圧力よりわずかに強いですが、どちらもパウリの排他原理によって直接引き起こされます。 白色矮星と中性子星は、粒子が非常に接近しているため、ブラックホールの外側で宇宙で最も密度の高い天体です。
白色矮星シリウス-Bの半径はわずか4,200km（地球の半径は約6,400 km）ですが、太陽とほぼ同じ大きさです。 中性子星はさらに驚くべきものです。おうし座の星座には半径がわずか13km（わずか6.2マイル）の中性子星がありますが、2回太陽と同じくらい巨大です！ Aティースプーン中性子星の物質の重さは約1兆ポンドになります。