Kvantinė mechanika laikosi labai kitokių dėsnių nei klasikinė mechanika. Šie dėsniai apima sąvoką, kad dalelė gali būti daugiau nei vienoje vietoje vienu metu, kad dalelė vieta ir impulsas negali būti žinomi tuo pačiu metu ir kad dalelė gali veikti ir kaip dalelė, ir kaip a banga.
Pauli išskyrimo principas yra dar vienas įstatymas, kuris, atrodo, nepaiso klasikinės logikos, tačiau jis yra nepaprastai svarbus elektroninei atomų struktūrai.
Dalelių klasifikacija
Visos elementariosios dalelės gali būti klasifikuojamos kaipfermionai ar bozonai. Fermionų sukimasis yra pusė sveiko skaičiaus, o tai reiškia, kad jų sukimosi reikšmės gali būti tik teigiamos ir neigiamos 1/2, 3/2, 5/2 ir pan. bozonai turi sveikąjį skaičių (įskaitant nulinį sukimą).
Sukimas yra vidinis kampinis impulsas arba kampinis impulsas, kurį dalelė paprasčiausiai turi, jo nesukurdama jokia išorinė jėga ar įtaka. Jis būdingas tik kvantinėms dalelėms.
Pauli išskyrimo principastaikoma tik fermionams. Fermionų pavyzdžiai yra elektronai, kvarkai ir neutrinai, taip pat bet koks tų dalelių derinys nelyginiais skaičiais. Protonai ir neutronai, sudaryti iš trijų kvarkų, taip pat yra fermionai, kaip ir atominiai branduoliai, turintys nelyginį skaičių protonų ir neutronų.
Svarbiausias Pauli išskyrimo principo taikymas, elektronų konfigūracijos atomuose, apima specialiai elektronus. Norint suprasti jų svarbą atomuose, pirmiausia svarbu suprasti pamatinę atominės struktūros sampratą: kvantinius skaičius.
Kvantiniai skaičiai atomuose
Elektrono kvantinę būseną atome galima tiksliai apibrėžti iš keturių kvantinių skaičių aibės. Šie skaičiai vadinami pagrindiniu kvantiniu skaičiumin, azimutinis kvantinis skaičiusl(dar vadinamas orbitos kampinio momento kvantiniu skaičiumi), magnetinis kvantinis skaičiusmlir sukinio kvantinis skaičiusms.
Kvantinių skaičių aibė suteikia pagrindą atomui apibūdinančių elektronų apvalkalui, požeminiam apvalkalui ir orbitos struktūrai. Korpuse yra pogrupių grupė su tuo pačiu pagrindiniu kvantiniu skaičiumi,n, ir kiekvienoje porūšyje yra to paties orbitos kampinio momento kvantinio skaičiaus orbitos,l. S-apvalkale yra elektronai sul= 0, p pograndis sul= 1, a d apvalkalas sul= 2 ir pan.
Vertėlsvyruoja nuo 0 ikin-1. Taigin= 3 apvalkalas turės 3 požemis, sul0, 1 ir 2 reikšmės.
Magnetinis kvantinis skaičius,ml, svyruoja nuo-lįlpo truputį po vieną ir apibrėžia orbitales po apvalkalu. Pavyzdžiui, p yra trys orbitalės (l= 1) požemis: vienas suml= -1, vienas suml= 0 ir vienas suml=1.
Paskutinis kvantinis skaičius, sukinio kvantinis skaičiusms, svyruoja nuo-sįspo truputį po vieną, kursyra nugaros kvantinis skaičius, būdingas dalelei. Elektronams,syra 1/2. Tai reiškiavisielektronų sukimasis gali būti tik lygus -1/2 arba 1/2 ir bet kurių dviejų elektronų su tuo pačiun, lirmlkvantiniai skaičiai turi būti antisimetriniai arba priešingi sukimai.
Kaip minėta anksčiau,n= 3 apvalkalas turės 3 požemis, sul0, 1 ir 2 (s, p ir d) vertės. D subhell (l= 2)n= 3 apvalkalas turės penkias orbitales:ml=-2, -1, 0, 1, 2. Kiek elektronų tilps į šį apvalkalą? Atsakymą lemia Pauli išskyrimo principas.
Kas yra „Pauli“ išskyrimo principas?
Pauli principas pavadintas austrų fizikuWolfgangas Pauli, kurie norėjo paaiškinti, kodėl atomai, turintys lyginį elektronų skaičių, yra chemiškai stabilesni nei nelyginio skaičiaus.
Galų gale jis padarė išvadą, kad turi būti keturi kvantiniai skaičiai, dėl kurių reikia išrasti elektronų sukimasis kaip ketvirtasis, ir, svarbiausia, kad jokie du elektronai negalėtų turėti tų pačių keturių kvantinių skaičių atomas. Buvo neįmanoma, kad du elektronai būtų visiškai vienodoje būsenoje.
Tai yra Pauli išskyrimo principas: identiškiems fermionams neleidžiama tuo pačiu metu užimti tą pačią kvantinę būseną.
Dabar galime atsakyti į ankstesnį klausimą: kiek elektronų gali tilpti į „d“ apvalkaląn= 3 subhell, atsižvelgiant į tai, kad jis turi penkias orbitales:ml=-2, -1, 0, 1, 2? Klausime jau apibrėžti trys iš keturių kvantinių skaičių:n=3, l= 2 ir penkios reikšmėsml. Taigi kiekvienai reikšmeiml,yra dvi galimos reikšmėsms: -1/2 ir 1/2.
Tai reiškia, kad šioje elektroninėje dalyje gali tilpti dešimt elektronų, po du kiekvienai reikšmeiml. Kiekvienoje orbitoje bus vienas elektronasms= -1 / 2, o kitas turėsms=1/2.
Kodėl Pauli išskyrimo principas yra svarbus?
Pauli išskyrimo principas informuoja elektronų konfigūraciją ir tai, kaip atomai klasifikuojami periodinėje elementų lentelėje. Pagrindinė būsena arba žemiausi energijos lygiai atome gali užpildyti, priversdami bet kokius papildomus elektronus pasiekti aukštesnį energijos lygį. Tai iš esmės yra priežastis, kodėl įprasta kietosios ar skystosios fazės materija užima astabilus tūris.
Užpildžius žemesnius lygius, elektronai negali nukristi arčiau branduolio. Todėl atomai turi mažiausią tūrį ir turi ribą, kiek juos galima suspausti.
Galbūt dramatiškiausią principo svarbos pavyzdį galima pamatyti neutroninėse žvaigždėse ir baltuose nykštukuose. Daleles, sudarančias šias mažas žvaigždes, patiria neįtikėtinas gravitacinis slėgis (turėdami šiek tiek didesnę masę, šie žvaigždžių likučiai galėjo subyrėti į juodąsias skyles).
Normaliose žvaigždėse šiluminė energija, gaminama žvaigždės centre branduolio sintezės būdu, sukuria pakankamai išorinio slėgio, kad būtų galima atsispirti sunkumui, kurį sukuria neįtikėtinos jų masės; tačiau nei neutronų žvaigždės, nei baltieji nykštukai savo branduolyje nevyksta sintezės.
Tai, kas neleidžia šiems astronominiams objektams žlugti dėl jų pačių sunkumo, yra vidinis slėgis, vadinamas degeneracijos slėgiu, dar vadinamas Fermi slėgiu. Baltos spalvos nykštukuose žvaigždės dalelės taip susitrenkia, kad norėdami priartėti vienas prie kito, kai kurie jų elektronai turėtų užimti tą pačią kvantinę būseną. Tačiau Pauli išskyrimo principas sako, kad jie negali!
Tai taikoma ir neutroninėms žvaigždėms, nes neutronai (kurie sudaro visą žvaigždę) taip pat yra fermionai. Bet jei jie būtų per arti vienas kito, jie būtų toje pačioje kvantinėje būsenoje.
Neutronų degeneracijos slėgis yra šiek tiek stipresnis nei elektronų degeneracijos slėgis, tačiau abu juos tiesiogiai lemia Pauli išskyrimo principas. Kai jų dalelės yra taip neįmanomai arti, balti nykštukai ir neutroninės žvaigždės yra tankiausi visatos objektai už juodųjų skylių ribų.
Baltojo nykštuko „Sirius-B“ spindulys yra vos 4200 km (Žemės spindulys yra apie 6400 km), tačiau jis yra beveik toks pat masyvus kaip Saulė. Neutroninės žvaigždės yra dar neįtikėtinesnės: Jaučio žvaigždyne yra neutroninė žvaigždė, kurios spindulys yra tik 13 km (vos 6,2 mylios), tačiau ji yradu kartusmasyvi kaip Saulė! Ašaukštelioneutroninių žvaigždžių medžiagos svertų apie trilijoną svarų.