Kvantu mehānika pakļaujas pavisam citiem likumiem nekā klasiskā mehānika. Šie likumi ietver jēdzienu, ka daļiņa var atrasties vairāk nekā vienā vietā vienlaikus, ka daļiņa atrašanās vietu un impulsu nevar zināt vienlaikus un ka daļiņa var darboties gan kā daļiņa, gan kā a vilnis.
Pauli izslēgšanas princips ir vēl viens likums, kas, šķiet, ir pretrunā ar klasisko loģiku, taču tas ir neticami svarīgs atomu elektroniskajai struktūrai.
Daļiņu klasifikācija
Visas elementārdaļiņas var klasificēt kāfermioni vai bozoni. Fermioniem ir puse no vesela grieziena, kas nozīmē, ka griešanās vērtības var būt tikai pozitīvas un negatīvas 1/2, 3/2, 5/2 un tā tālāk; bozoniem ir vesels skaitlis grieziens (tas ietver nulles griešanos).
Spin ir leņķiskais impulss jeb leņķiskais impulss, kas daļiņai vienkārši ir, to neradot nekāds ārējs spēks vai ietekme. Tas ir raksturīgs tikai kvantu daļiņām.
Pauli izslēgšanas principsattiecas tikai uz fermioniem. Fermionu piemēri ietver elektronus, kvarkus un neitrīnus, kā arī jebkuru šo daļiņu kombināciju nepāra skaitļos. Tāpēc protoni un neitroni, kas ir izgatavoti no trim kvarkiem, ir arī fermioni, tāpat kā atomu kodoli, kuriem ir nepāra skaits protonu un neitronu.
Pāvila izslēgšanas principa vissvarīgākais pielietojums, elektronu konfigurācijas atomos, īpaši attiecas uz elektroniem. Lai saprastu to nozīmi atomos, vispirms ir svarīgi saprast atomu struktūras pamatkoncepciju: kvantu skaitļus.
Kvantu skaitļi atomos
Elektrona kvantu stāvokli atomā var precīzi noteikt ar četru kvantu skaitļu kopu. Šos skaitļus sauc par galveno kvantu skaitlin, azimutālais kvantu skaitlisl(saukts arī par orbitālo leņķiskā impulsa kvantu skaitli), magnētiskais kvantu skaitlismlun spin kvantu skaitlisms.
Kvantu skaitļu kopa nodrošina pamatu atomu elektronu aprakstīšanas čaulas, apakškorpusa un orbītas struktūrai. Apvalks satur apakšshellu grupu ar tādu pašu galveno kvantu numuru,n, un katrā apakškorpusā ir viena orbītas leņķiskā impulsa kvantu skaitļa orbitāles,l. S apakš apvalks satur elektronus arl= 0, p apakšloks arl= 1, d apakšslānis arl= 2 un tā tālāk.
Vērtībalsvārstās no 0 līdzn-1. Tātadn= 3 čaumalām būs 3 apakščaulas arlvērtības 0, 1 un 2.
Magnētiskais kvantu skaitlis,ml, svārstās no-luzlar soli pa vienai un nosaka orbitāles zemapvalkā. Piemēram, p (l= 1) apakšslānis: viens arml= -1, viens arml= 0 un viens arml=1.
Pēdējais kvantu skaitlis, spin kvantu skaitlisms, svārstās no-suzsar soli pa vienam, kursir spin kvantu skaitlis, kas ir daļiņai raksturīgs. Elektroniem,sir 1/2. Tas nozīmēvisielektroniem vienmēr var būt spin, kas vienāds ar -1/2 vai 1/2, un jebkuriem diviem elektroniem ar tādu pašun, l, unmlkvantu skaitļiem jābūt antisimetriskiem vai pretējiem griezieniem.
Kā minēts iepriekš,n= 3 čaumalām būs 3 apakščaulas arlvērtības 0, 1 un 2 (s, p un d). D apakšvada (l= 2) non= 3 apvalkos būs piecas orbitāles:ml=-2, -1, 0, 1, 2. Cik daudz elektronu iederēsies šajā apvalkā? Atbildi nosaka Pauli izslēgšanas princips.
Kāds ir Pauli izslēgšanas princips?
Pauli princips ir nosaukts austriešu fiziķimVolfgangs Pauli, kurš vēlējās paskaidrot, kāpēc atomi ar pāra skaitli elektronu ir ķīmiski stabilāki nekā tie, kuriem ir nepāra skaitlis.
Galu galā viņš nonāca pie secinājuma, ka jābūt četriem kvantu skaitļiem, kas prasa izgudrot elektronu griešanās kā ceturtais, un, pats galvenais, diviem elektroniem nevar būt vienādi četri kvantu skaitļi atoms. Diviem elektroniem nebija iespējams atrasties tieši tādā pašā stāvoklī.
Tas ir Pauli izslēgšanas princips: identiskiem fermioniem nav atļauts vienlaikus ieņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli.
Tagad mēs varam atbildēt uz iepriekšējo jautājumu: Cik daudz elektronu var ievietotn= 3 apakšslānis, ņemot vērā, ka tam ir piecas orbitāles:ml=-2, -1, 0, 1, 2? Jautājumā jau ir definēti trīs no četriem kvantu skaitļiem:n=3, l= 2, un piecas vērtībasml. Tātad par katru vērtībuml,ir divas iespējamās vērtībasms: -1/2 un 1/2.
Tas nozīmē, ka šajā apakškorpusā var ievietot desmit elektronus, pa diviem katrai vērtībaiml. Katrā orbītā būs viens elektronsms= -1 / 2, un otram būsms=1/2.
Kāpēc Pauli izslēgšanas princips ir svarīgs?
Pauli izslēgšanas princips informē elektronu konfigurāciju un veidu, kā atomi tiek klasificēti periodiskajā elementu tabulā. Pamatstāvoklis vai zemākais enerģijas līmenis atomā var piepildīties, liekot jebkuriem papildu elektroniem sasniegt augstāku enerģijas līmeni. Tas būtībā ir iemesls, kāpēc parastā viela cietā vai šķidrā fāzē aizņem astabils tilpums.
Kad zemākie līmeņi ir piepildīti, elektroni nevar nokrist tuvāk kodolam. Tāpēc atomiem ir minimālais tilpums, un tiem ir ierobežojums, cik daudz tos var saspiest.
Iespējams, ka dramatiskākais principa nozīmības piemērs ir redzams neitronu zvaigznēs un baltajos punduros. Daļiņas, kas veido šīs mazās zvaigznes, ir pakļautas neticamam gravitācijas spiedienam (ar nedaudz lielāku masu šīs zvaigžņu paliekas varēja sabrukt melnos caurumos).
Parastās zvaigznēs siltuma enerģija, ko kodolsintēze rada zvaigznes centrā, rada pietiekami daudz ārēja spiediena, lai pretotos gravitācijai, ko rada to neticamās masas; bet ne neitronu zvaigznes, ne baltie punduri to kodolos nekrīt.
Tas, kas neļauj šiem astronomiskajiem objektiem sabrukt zem sava smaguma, ir iekšējais spiediens, ko sauc par deģenerācijas spiedienu, kas pazīstams arī kā Fermi spiediens. Baltajos punduros zvaigznes daļiņas ir tik saburzītas, ka, lai tuvotos viens otram, dažiem viņu elektroniem būtu jāieņem viens un tas pats kvantu stāvoklis. Bet Pauli izslēgšanas princips saka, ka viņi to nevar!
Tas attiecas arī uz neitronu zvaigznēm, jo neitroni (kas veido visu zvaigzni) ir arī fermioni. Bet, ja viņi būtu pārāk tuvu viens otram, viņi atrastos vienā kvantu stāvoklī.
Neitronu deģenerācijas spiediens ir nedaudz spēcīgāks nekā elektronu deģenerācijas spiediens, taču abus tieši izraisa Pauli izslēgšanas princips. Tā kā daļiņas ir tik neiespējami tuvu viena otrai, baltie punduri un neitronu zvaigznes ir visblīvākie objekti ārpus melnajiem caurumiem.
Baltā pundura Sirius-B rādiuss ir tikai 4200 km (Zemes rādiuss ir aptuveni 6400 km), bet tas ir gandrīz tikpat masīvs kā Saule. Neitronu zvaigznes ir vēl neticamākas: Vērša zvaigznājā ir neitronu zvaigzne, kuras rādiuss ir tikai 13 km (tikai 6,2 jūdzes), bet tas irdivreiztikpat masīva kā Saule! Atējkaroteneitronu zvaigžņu materiāla svars būtu aptuveni triljons mārciņu.