Принцип исключения Паули: что это такое и почему это важно?

Квантовая механика подчиняется совершенно иным законам, чем классическая механика. Эти законы включают концепцию, согласно которой частица может находиться более чем в одном месте одновременно, что частица местоположение и импульс не могут быть известны одновременно, и что частица может действовать как частица и как волна.

Принцип исключения Паули - еще один закон, который, кажется, противоречит классической логике, но он невероятно важен для электронной структуры атомов.

Классификация частиц

Все элементарные частицы можно классифицировать какфермионы или бозоны. Фермионы обладают полуцелым спином, то есть они могут иметь только положительные и отрицательные значения спина 1/2, 3/2, 5/2 и так далее; бозоны имеют целочисленный спин (включая нулевой спин).

Спин - это собственный угловой момент или угловой момент, который просто имеет частица, не создаваемый какой-либо внешней силой или влиянием. Это уникально для квантовых частиц.

Принцип исключения Паулиотносится только к фермионам. Примеры фермионов включают электроны, кварки и нейтрино, а также любую комбинацию этих частиц в нечетных числах. Таким образом, протоны и нейтроны, состоящие из трех кварков, также являются фермионами, как и атомные ядра с нечетным числом протонов и нейтронов.

instagram story viewer

Наиболее важное приложение принципа исключения Паули, электронная конфигурация в атомах, касается именно электронов. Чтобы понять их важность для атомов, сначала важно понять основную концепцию атомной структуры: квантовые числа.

Квантовые числа в атомах

Квантовое состояние электрона в атоме может быть точно определено набором из четырех квантовых чисел. Эти числа называются главным квантовым числом.п, азимутальное квантовое числол(также называемое квантовым числом орбитального углового момента), магнитное квантовое числомли спиновое квантовое числомs​.

Набор квантовых чисел обеспечивает основу для оболочки, подоболочки и орбитальной структуры описания электронов в атоме. Оболочка содержит группу подоболочек с одинаковым главным квантовым числом,п, и каждая подоболочка содержит орбитали с одинаковым квантовым числом орбитального углового момента,л. Подоболочка s содержит электроны сл= 0, подоболочка p сл= 1, d подоболочка сл= 2 и так далее.

Значениелколеблется от 0 доп-1. Итакп= 3 оболочка будет иметь 3 подоболочки, слзначения 0, 1 и 2.

Магнитное квантовое число,мл, колеблется от-lклс шагом в один и определяет орбитали внутри подоболочки. Например, внутри p (л= 1) подоболочка: одна смл= -1, один смл= 0 и один смл​=1.

Последнее квантовое число, квантовое число спинамs, колеблется от-sкsс шагом в единицу, гдеs- спиновое квантовое число, присущее частице. Для электроновsсоставляет 1/2. Это означаетвсеу электронов может быть только спин, равный -1/2 или 1/2, а любые два электрона с одинаковымп​, ​л, а такжемлквантовые числа должны иметь антисимметричные или противоположные спины.

Как указывалось ранее,п= 3 оболочка будет иметь 3 подоболочки, слзначения 0, 1 и 2 (s, p и d). Подоболочка d (л= 2) изп= 3 оболочка будет иметь пять орбиталей:мл=-2, -1, 0, 1, 2. Сколько электронов поместится в этой оболочке? Ответ определяется принципом исключения Паули.

Что такое принцип исключения Паули?

Принцип Паули назван в честь австрийского физика.Вольфганг Паули, который хотел объяснить, почему атомы с четным числом электронов более химически стабильны, чем атомы с нечетным числом.

В конце концов он пришел к выводу, что должно быть четыре квантовых числа, что потребовало изобретения спин электрона в качестве четвертого, и, что наиболее важно, никакие два электрона не могут иметь одинаковые четыре квантовых числа в атом. Было невозможно, чтобы два электрона находились в одном и том же состоянии.

Это принцип исключения Паули: идентичные фермионы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно.

Теперь мы можем ответить на предыдущий вопрос: сколько электронов может поместиться в d подоболочкеп= 3 подоболочки, учитывая, что у нее пять орбиталей:мл=-2, -1, 0, 1, 2? Вопрос уже определил три из четырех квантовых чисел:п​=3, ​л= 2, а пять значениймл. Итак, для каждого значениямл,есть два возможных значениямs: -1/2 и 1/2.

Это означает, что в этой подоболочке может поместиться десять электронов, по два на каждое значениемл. На каждой орбитали один электрон будет иметьмs= -1 / 2, а другой будет иметьмs​=1/2.

Почему важен принцип исключения Паули?

Принцип исключения Паули определяет электронную конфигурацию и способ классификации атомов в периодической таблице элементов. Основное состояние или самые низкие энергетические уровни в атоме могут заполняться, заставляя любые дополнительные электроны переходить на более высокие энергетические уровни. По сути, это причина того, что обычное вещество в твердой или жидкой фазе занимаетстабильный объем​.

Когда нижние уровни заполнены, электроны не могут упасть ближе к ядру. Следовательно, атомы имеют минимальный объем и ограничение на то, насколько они могут быть сжаты вместе.

Возможно, самый яркий пример важности этого принципа можно увидеть в нейтронных звездах и белых карликах. Частицы, из которых состоят эти маленькие звезды, находятся под невероятным гравитационным давлением (с немного большей массой эти звездные остатки могли бы коллапсировать в черные дыры).

В обычных звездах тепловая энергия, производимая в центре звезды в результате ядерного синтеза, создает достаточное внешнее давление, чтобы противостоять гравитации, создаваемой их невероятными массами; но ни нейтронные звезды, ни белые карлики не подвергаются слиянию в их ядрах.

Что удерживает эти астрономические объекты от коллапса под действием собственной гравитации, так это внутреннее давление, называемое давлением вырождения, также известное как давление Ферми. В белых карликах частицы звезды настолько сжаты вместе, что, чтобы приблизиться друг к другу, некоторые из их электронов должны были бы занять одно и то же квантовое состояние. Но принцип исключения Паули говорит, что они не могут!

Это также относится к нейтронным звездам, потому что нейтроны (составляющие всю звезду) также являются фермионами. Но если они подойдут слишком близко друг к другу, они окажутся в одном квантовом состоянии.

Давление нейтронного вырождения немного выше давления вырождения электронов, но оба они напрямую вызваны принципом исключения Паули. Белые карлики и нейтронные звезды с их частицами настолько близко друг к другу, что являются самыми плотными объектами во Вселенной за пределами черных дыр.

Белый карлик Сириус-B имеет радиус всего 4200 км (радиус Земли составляет около 6400 км), но почти такой же массивный, как и Солнце. Нейтронные звезды еще более невероятны: в созвездии Тельца есть нейтронная звезда, радиус которой составляет всего 13 км (всего 6,2 мили), но это не так.дваждымассивнее Солнца! Ачайная ложкаматериала нейтронной звезды будет весить около триллиона фунтов.

Teachs.ru
  • Доля
instagram viewer