Квантна механика се покорава веома различитим законима од класичне механике. Ови закони укључују концепт да честица може бити одједном на више места, тј локација и импулс не могу се знати истовремено и да честица може деловати и као честица и као талас.
Паули-јев принцип искључења је још један закон који као да пркоси класичној логици, али је невероватно важан за електронску структуру атома.
Класификација честица
Све елементарне честице могу се класификовати каофермиони или бозони. Фермиони имају полуцели спин, што значи да могу имати само спин вредности позитивних и негативних 1/2, 3/2, 5/2 и тако даље; бозони имају целобројни спин (ово укључује нулти спин).
Спин је својствени угаони импулс или угаони замах који честица једноставно има, а да је није створила никаква спољна сила или утицај. Јединствен је за квантне честице.
Паули-јев принцип искључењаодноси се само на фермионе. Примери фермиона укључују електроне, кваркове и неутрине, као и било коју комбинацију тих честица у непарном броју. Протони и неутрони, који су сачињени од три кварка, су, према томе, такође фермиони, као и атомска језгра која имају непаран број протона и неутрона.
Најважнија примена Паули-јевог принципа изузећа, електронске конфигурације у атомима, посебно укључује електроне. Да би се разумео њихов значај у атомима, прво је важно разумети основни концепт који стоји иза атомске структуре: квантни бројеви.
Квантни бројеви у атомима
Квантно стање електрона у атому може се прецизно дефинисати скупом од четири квантна броја. Ови бројеви се називају главним квантним бројемн, азимутни квантни бројл(назива се и квантни број орбиталног угаоног момента), магнетни квантни бројмли квантни број спинамс.
Скуп квантних бројева пружа основу љусци, поткољци и орбиталној структури описивања електрона у атому. Љуска садржи групу подљуски са истим главним квантним бројем,н, и свака подљуска садржи орбитале истог квантног броја орбиталног угаоног момента,л. С подљуска садржи електроне сал= 0, п подљуска сал= 1, д подљуска сал= 2 и тако даље.
Вредностлкреће се од 0 дон-1. Даклен= 3 љуска имаће 3 подљуске, салвредности 0, 1 и 2.
Магнетни квантни број,мл, креће од-лдолу корацима од по један и дефинише орбитале у оквиру подљуске. На пример, постоје три орбитале унутар п (л= 1) подљуска: једна самл= -1, један самл= 0 и један самл=1.
Последњи квантни број, спин квантни бројмс, креће од-сдосу корацима од по један, гдесје спин квантни број који је својствен честици. За електроне,сје 1/2. Ово значисвеелектрони могу имати само спин једнак -1/2 или 1/2, и било која два електрона са истимн, л, имлквантни бројеви морају имати антисиметрична или супротна окретања.
Као што је раније речено,н= 3 љуска имаће 3 подљуске, салвредности 0, 1 и 2 (с, п и д). Д подљуска (л= 2) одн= 3 љуска имаће пет орбитала:мл=-2, -1, 0, 1, 2. Колико ће електрона стати у ову љуску? Одговор је одређен Паули-јевим принципом искључења.
Шта је Паули-јев принцип искључења?
Паули принцип је добио име за аустријског физичараВолфганг Паули, који је желео да објасни зашто су атоми са парним бројем електрона хемијски стабилнији од оних са непарним бројем.
На крају је дошао до закључка да морају постојати четири квантна броја, што захтева изум спин електрона као четврти, и, што је најважније, ниједна два електрона не могу имати иста четири квантна броја у атом. Било је немогуће да два електрона буду у потпуно истом стању.
Ово је Паули-јев принцип искључења: Идентичним фермионима није дозвољено да истовремено заузимају исто квантно стање.
Сада можемо одговорити на претходно питање: Колико електрона може да стане у д подљускун= 3 подљуске, с обзиром да има пет орбитала:мл=-2, -1, 0, 1, 2? Питање је већ дефинисало три од четири квантна броја:н=3, л= 2 и пет вредности одмл. Дакле, за сваку вредност одмл,постоје две могуће вредностимс: -1/2 и 1/2.
То значи да у ову подљуску може да стане десет електрона, по два за сваку вредност одмл. У свакој орбитали ће имати по један електронмс= -1 / 2, а други ће иматимс=1/2.
Зашто је Паулијев принцип искључења важан?
Паули-јев принцип искључења обавештава о конфигурацији електрона и начину класификације атома у периодном систему елемената. Основно стање или најнижи нивои енергије у атому могу се попунити, присиљавајући све додатне електроне на виши ниво енергије. То је, у основи, разлог зашто обична материја у чврстој или течној фази заузима астабилна запремина.
Једном када се доњи нивои напуне, електрони не могу пасти ближе језгру. Атоми зато имају минималну запремину и имају ограничење колико могу да се стисну заједно.
Вероватно најдраматичнији пример важности принципа може се видети код неутронских звезда и белих патуљака. Честице које чине ове мале звезде су под невероватним гравитационим притиском (са мало веће масе, ови звездани остаци могли су да се сруше у црне рупе).
У нормалним звездама топлотна енергија произведена у центру звезде нуклеарном фузијом ствара довољан спољни притисак да се супротстави гравитацији коју стварају њихове невероватне масе; али ни неутронске звезде ни бели патуљци не пролазе кроз фузију у својим језгрима.
Оно што спречава да се ови астрономски објекти уруше под сопственом гравитацијом је унутрашњи притисак који се назива дегенеративни притисак, познат и као Фермијев притисак. У белим патуљцима, честице у звезди су толико згњечене да би неки њихови електрони, да би се приближили једни другима, морали да заузму исто квантно стање. Али Паули-јев принцип искључења каже да не могу!
То се односи и на неутронске звезде, јер су неутрони (који чине целу звезду) такође фермиони. Али ако би се превише зближили, били би у истом квантном стању.
Притисак неутронске дегенерације је нешто јачи од притиска дегенерације електрона, али оба су директно узрокована Паули-јевим принципом искључења. Са својим немогуће блиским честицама, бели патуљци и неутронске звезде су најгушћи објекти у свемиру изван црних рупа.
Бели патуљак Сириус-Б има радијус од само 4.200 км (Земљин радијус је око 6.400 км), али је готово једнако масиван као Сунце. Неутронске звезде су још невероватније: у сазвежђу Бика постоји неутронска звезда чији је радијус само 13 км (само 6,2 миље), али једва путамасиван попут Сунца! А.кашичицаматеријала неутронске звезде тежио би око трилион фунти.