양자 역학은 고전 역학과는 매우 다른 법칙을 따릅니다. 이러한 법칙에는 입자가 한 번에 여러 위치에있을 수 있다는 개념이 포함됩니다. 위치와 운동량은 동시에 알 수 없으며 입자가 입자와 웨이브.
Pauli 배제 원리는 고전적인 논리를 무시하는 것처럼 보이는 또 다른 법칙이지만 원자의 전자 구조에있어 매우 중요합니다.
입자 분류
모든 소립자는 다음과 같이 분류 될 수 있습니다.fermions 또는 bosons. 페르미온은 반정 수 스핀을가집니다. 즉, 양수 및 음수 1/2, 3/2, 5/2 등의 스핀 값만 가질 수 있습니다. boson에는 정수 스핀이 있습니다 (여기에는 제로 스핀 포함).
스핀은 본질적인 각운동량 또는 외부 힘이나 영향에 의해 생성되지 않고 입자가 단순히 갖는 각운동량입니다. 양자 입자에 고유합니다.
Pauli 배제 원칙페르미온에만 적용. 페르미온의 예에는 전자, 쿼크 및 중성미자뿐만 아니라 이러한 입자의 홀수 조합이 포함됩니다. 따라서 3 쿼크로 만들어진 양성자와 중성자는 홀수 개의 양성자와 중성자를 가진 원자핵과 마찬가지로 페르미온이기도합니다.
Pauli 배제 원리의 가장 중요한 적용 인 원자의 전자 구성은 전자와 관련이 있습니다. 원자에서의 중요성을 이해하기 위해서는 먼저 원자 구조의 기본 개념 인 양자 수를 이해하는 것이 중요합니다.
원자의 양자 수
원자에서 전자의 양자 상태는 4 개의 양자 수로 정확하게 정의 할 수 있습니다. 이 숫자를 주 양자 수라고합니다.엔, 방위각 양자 수엘(궤도 각운동량 양자 수라고도 함), 자기 양자 수미디엄엘그리고 스핀 양자 수미디엄에스.
양자 번호 세트는 원자의 전자를 설명하는 껍질, 하위 껍질 및 궤도 구조의 기초를 제공합니다. 쉘은 동일한 주 양자 번호를 가진 서브 쉘 그룹을 포함합니다.엔, 각 서브 쉘은 동일한 궤도 각운동량 양자 수의 궤도를 포함합니다.엘. s 서브 쉘은 다음과 같은 전자를 포함합니다.엘= 0, p 서브 쉘엘= 1, d 서브 쉘엘= 2 등등.
의 가치엘범위는 0에서엔-1. 그래서엔= 3 쉘에는 3 개의 서브 쉘이 있습니다.엘0, 1 및 2의 값.
자기 양자 수,미디엄엘, 범위-엘...에엘1 씩 증가하며 서브 쉘 내의 궤도를 정의합니다. 예를 들어, p (엘= 1) 서브 쉘: 1 개미디엄엘= -1, 하나미디엄엘= 0 및미디엄엘=1.
마지막 양자 수, 스핀 양자 수미디엄에스, 범위-에스...에에스1 씩 증가합니다. 여기서에스입자 고유의 스핀 양자 수입니다. 전자의 경우에스1/2입니다. 이것은모두전자는 -1/2 또는 1/2과 동일한 스핀을 가질 수 있으며 동일한 전자는엔, 엘, 및미디엄엘양자 수는 비대칭 또는 반대 스핀을 가져야합니다.
앞서 언급했듯이엔= 3 쉘에는 3 개의 서브 쉘이 있습니다.엘값 0, 1 및 2 (s, p 및 d). d 서브 쉘 (엘= 2)엔= 3 포탄에는 5 개의 궤도가 있습니다.미디엄엘=-2, -1, 0, 1, 2. 이 껍질에는 몇 개의 전자가 들어 갈까요? 대답은 Pauli 배제 원칙에 의해 결정됩니다.
Pauli 제외 원칙이란 무엇입니까?
Pauli 원칙은 오스트리아 물리학 자의 이름을 따서 명명되었습니다.볼프강 파울리, 짝수 전자를 가진 원자가 홀수를 가진 원자보다 화학적으로 더 안정적인 이유를 설명하고 싶었습니다.
그는 결국 4 개의 양자 수가 있어야한다는 결론에 도달했습니다. 전자 스핀은 네 번째로, 가장 중요한 것은 두 개의 전자가 동일한 네 개의 양자 수를 가질 수 없다는 것입니다. 원자. 두 전자가 똑같은 상태에있는 것은 불가능했습니다.
이것이 Pauli 배제 원칙입니다. 동일한 페르미온이 동시에 동일한 양자 상태를 차지할 수 없습니다.
이제 이전 질문에 답할 수 있습니다: 얼마나 많은 전자가 d subshell에 들어갈 수 있습니까?엔= 3 서브 쉘, 5 개의 궤도가있는 경우 :미디엄엘=-2, -1, 0, 1, 2? 이 질문은 이미 네 가지 양자 수 중 세 가지를 정의했습니다.엔=3, 엘= 2 및 5 개의 값미디엄엘. 따라서 각 값에 대해미디엄엘,두 가지 가능한 값이 있습니다.미디엄에스: -1/2 및 1/2.
이것은 10 개의 전자가이 서브 쉘에 들어갈 수 있음을 의미합니다.미디엄엘. 각 궤도에서 하나의 전자는미디엄에스= -1 / 2이고 다른 하나는미디엄에스=1/2.
Pauli 제외 원칙이 중요한 이유는 무엇입니까?
Pauli 배제 원리는 전자 구성과 원소 주기율표에서 원자가 분류되는 방식을 알려줍니다. 바닥 상태 또는 원자의 최저 에너지 수준이 채워져 추가 전자를 더 높은 에너지 수준으로 만들 수 있습니다. 이것은 근본적으로 고체 또는 액체상의 일반 물질이안정적인 볼륨.
낮은 레벨이 채워지면 전자는 핵에 더 가까이 떨어질 수 없습니다. 따라서 원자는 최소 부피를 가지며 함께 압착 할 수있는 양에 제한이 있습니다.
이 원리의 중요성에 대한 가장 극적인 예는 중성자 별과 백색 왜성에서 볼 수 있습니다. 이 작은 별을 구성하는 입자는 엄청난 중력 압력을 받고 있습니다 (질량이 약간 더 많으면이 별의 잔해가 블랙홀로 붕괴 될 수 있습니다).
정상적인 별에서 핵융합에 의해 별의 중심에서 생성 된 열 에너지는 엄청난 질량에 의해 생성 된 중력에 대항 할 수있는 충분한 외부 압력을 생성합니다. 그러나 중성자 별이나 백색 왜성은 핵에서 융합되지 않습니다.
이 천체가 자신의 중력에 의해 붕괴되는 것을 막는 것은 페르미 압력이라고도 알려진 퇴화 압력이라고하는 내부 압력입니다. 백색 왜성에서는 별의 입자가 너무 뭉쳐서 서로 더 가까워 지려면 일부 전자가 동일한 양자 상태를 차지해야합니다. 그러나 Pauli 배제 원칙은 그들이 할 수 없다고 말합니다!
중성자 (별 전체를 구성하는)도 페르미온이기 때문에 이것은 중성자 별에도 적용됩니다. 그러나 그들이 너무 가까워지면 동일한 양자 상태가 될 것입니다.
중성자 축퇴 압력은 전자 축퇴 압력보다 약간 강하지 만 둘 다 Pauli 배제 원리에 의해 직접 발생합니다. 그들의 입자가 너무나도 가깝게 붙어있는 백색 왜성과 중성자 별은 블랙홀 외부의 우주에서 가장 밀도가 높은 물체입니다.
백색 왜성 Sirius-B는 반경이 4,200km에 불과하지만 (지구의 반경은 약 6,400km) 거의 태양만큼 거대합니다. 중성자 별은 훨씬 더 놀랍습니다. 황소 자리에는 반지름이 13km (6.2 마일)에 불과한 중성자 별이 있습니다.두번태양만큼 거대합니다! ㅏ티스푼중성자 별 물질의 무게는 약 1 조 파운드입니다.