Tabla de Contenidos
Принципът на изключване на Паули е един от основните принципи на квантовата механика. Той гласи, че в затворена квантова система, като атом или молекула, две идентични субатомни частици не могат едновременно да имат една и съща конфигурация или да са в точно същото квантово състояние . Субатомните частици се отнасят или до електрони, или до някоя от частиците, които изграждат атомното ядро.
Този принцип е постулиран от австрийския теоретичен физик Волфганг Паули през 1925 г., за да обясни определени експериментални наблюдения, свързани със спектрите на атомно излъчване. По-специално, това дава възможност да се обясни появата на модел от множество линии ( мултиплет ) в емисионните спектри на атоми, подложени на силни магнитни полета, наблюдение, наречено аномален ефект на Zeeman . Дотогава настоящият квантов атомен модел дефинира атомите по отношение на само три квантови числа , а именно основното квантово число (n), азимуталното (l) и магнитното квантово число (m l ), така че наблюдението на Паули предполага, че съществуването на четвърто квантово число, съответстващо на спина.
Въпреки че първоначално е установен за електрони в атома, този принцип се простира до по-широк клас субатомни частици, наричани заедно фермиони . Фермионите са тези субатомни частици, чийто спин е нечетно кратно на ½ и които следователно отговарят на принципа на изключване на Паули . В допълнение към електроните, протоните и неутроните също са фермиони, така че този принцип се прилага и за тях и помага да се обяснят спектрите на ядрения магнитен резонанс.
Последици от принципа на изключване на Паули в квантовата химия
Алтернативно изложение на принципа на изключване на Паули
В химията принципът на изключване на Паули се изразява по малко по-различен начин от този, представен в началото на тази статия. Всъщност обикновено се посочва въз основа на едно от последствията, като се посочва, че:
Във всеки атом два електрона не могат да имат еднакви четири квантови числа.
Този начин на формулиране на принципа на изключване на Паули е по-малко общ от предишния, но е еквивалентен на първото твърдение, когато се прилага конкретно към електрони в атом.
От една страна изолираният атом е затворена квантова система. Когато говорим за два електрона, говорим за две идентични субатомни частици, които също са фермиони, така че изпълняват принципа на изключване. И накрая, в квантовата механика квантовите числа са това, което определя квантовото състояние на всеки електрон. По този начин, едновременното наличие на едни и същи четири квантови числа е еквивалентно на намиране в точно същото квантово състояние, което всъщност е това, което принципът на Паули изключва или забранява.
Само два електрона с антипаралелни спинове могат да се поберат в една орбитала.
Друго следствие от принципа на изключване на Паули и което в някои случаи се използва и като алтернативен начин за формулиране е, че в една и съща атомна орбитала не може да има повече от два електрона и че освен това те трябва да имат противоположни завъртания (+ или – ½) .
Това твърдение също е еквивалентно (макар и отново по-малко общо) от предишното твърдение, тъй като атомната орбитала се определя от първите три квантови числа, n, l и m l . Ако два електрона са в една и съща орбитала, тогава те споделят тези три квантови числа. Тъй като тези два електрона не могат да имат еднакъв спин (защото биха имали еднакви четири квантови числа, което е забранено от принципа на изключване на Паули) и тъй като има само две възможни стойности на спин за всеки електрон, тогава те могат само Там са два електрона във всяка орбитала.
Приложение на принципа на изключване на Паули
в спектроскопията
Както вече беше споменато, принципът на изключване на Паули се използва за обяснение на атомните емисионни спектри при силни магнитни полета. В допълнение, той също помага да се разберат спектрите на абсорбция и излъчване, както атомни, така и молекулни, и спектрите на ядрено-магнитен резонанс. Тези техники имат много приложения както в химията, така и в медицината и други области.
По химия
Едно от най-честите приложения на този принцип в химията е, че той се използва за изграждане на електронната конфигурация на атомите в периодичната таблица. Благодарение на принципа на изключване на Паули знаем, че само два електрона могат да се поберат в една орбитала. Това, комбинирано с другите правила за подбор на другите квантови числа, ни позволява да определим колко електрони има всеки атом във всяко енергийно ниво и във всяка орбитала в рамките на всяко ниво.
Следващата таблица илюстрира това приложение, като позволява определянето на броя на електроните, които се вписват във всяко основно енергийно ниво.
| Енергийно ниво (n) | Слой | Поднива или видове орбитали | брой орбитали | максимален брой електрони |
| 1 | к | да | 1 | 2 |
| 2 | Л | s,p | 4 | 8 |
| 3 | м | s, p, d | 9 | 18 |
| 4 | Не. | s, p, d, f | 16 | 32 |
| … | … | … | … | … |
в астрономията
Принципът на изключване на Паули се използва в астрономията, за да обясни образуването на звезди бели джуджета, както и неутронни звезди, които са резултат от колапса на умираща звезда. Първите (бели джуджета) поддържат колапса благодарение на налягането на израждане на електроните, които го съставляват, докато неутронните звезди се образуват и устояват на колапса на собствената си гравитация поради налягането на израждане на неутроните в ядрата. И в двата случая това квантово налягане се генерира поради невъзможността, предвидена от принципа на изключване, два фермиона (или електрони, или неутрони, в зависимост от вида на звездата) да заемат едно и също квантово състояние.
Препратки
Чанг, Р. (2021). Химия (11-то издание ). MCGRAW HILL ОБРАЗОВАНИЕ.
Издатели на Енциклопедия Британика. (2018, 19 януари). Принцип на изключване на Паули . Енциклопедия Британика. https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle
Libretexts. (2021 г., 19 април). Принцип на изключване на Паули . Химия LibreTexts. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Electronic_Structure_of_Atoms_and_Molecules/Electronic_Configurations/Pauli_Exclusion_Principle
Nave, R. (nd). Принцип на изключване на Паули . хиперфизика. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pauli.html
Принцип на изключване на Паули. Енциклопедична статия. (2019, 1 ноември). Encyclopedia.us.es. http://enciclopedia.us.es/index.php/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli
Waksman Minsky, N., & Saucedo Yáñez, A. (2019). Кратка история на ядрено-магнитния резонанс: от откритието до приложението в образната диагностика. Обучение по химия , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418
