Tabla de Contenidos
Paulin poissulkemisperiaate on yksi kvanttimekaniikan perusperiaatteista. Siinä todetaan, että suljetussa kvanttijärjestelmässä, kuten atomissa tai molekyylissä, kahdella identtisellä subatomisella hiukkasella ei voi samanaikaisesti olla samaa konfiguraatiota tai ne ovat täsmälleen samassa kvanttitilassa . Subatomiset hiukkaset viittaavat joko elektroneihin tai mihin tahansa hiukkasiin, jotka muodostavat atomiytimen.
Tämän periaatteen esitti itävaltalainen teoreettinen fyysikko Wolfgang Pauli vuonna 1925 selittääkseen tiettyjä atomiemissiospektreihin liittyviä kokeellisia havaintoja. Erityisesti se mahdollistaa useiden viivojen ( multiplettien ) esiintymisen selittämisen voimakkaille magneettikentille altistettujen atomien emissiospektreissä, tätä havaintoa kutsutaan anomaaliksi Zeeman-ilmiöksi . Siihen asti nykyinen kvanttiatomimalli määritteli atomit vain kolmella kvanttiluvulla , nimittäin pääkvanttiluvulla (n), atsimuuttiluvulla (l) ja magneettisella kvanttiluvulla (m l ), joten Paulin havainto merkitsi spiniä vastaavan neljännen kvanttiluvun olemassaolo.
Vaikka alun perin perustettiin atomin sisällä oleville elektroneille, tämä periaate ulottuu laajempaan luokkaan subatomisia hiukkasia, joita kutsutaan kollektiivisesti fermioneiksi . Fermionit ovat subatomisia hiukkasia, joiden spin on ½:n pariton kerrannainen ja jotka siksi täyttävät Paulin poissulkemisperiaatteen . Elektronien lisäksi protonit ja neutronit ovat myös fermioneja, joten tämä periaate pätee myös niihin ja auttaa selittämään ydinmagneettisen resonanssin spektrejä.
Paulin poissulkemisperiaatteen seuraukset kvanttikemiassa
Vaihtoehtoinen väite Paulin poissulkemisperiaatteesta
Kemiassa Paulin poissulkemisperiaate ilmaistaan hieman eri tavalla kuin tämän artikkelin alussa. Itse asiassa se ilmoitetaan yleensä yhden sen seurauksen perusteella, ja todetaan, että:
Missään atomissa ei kahdella elektronilla voi olla samaa neljää kvanttilukua.
Tämä tapa ilmaista Paulin poissulkemisperiaate on vähemmän yleinen kuin edellinen, mutta se vastaa ensimmäistä väitettä, kun sitä sovelletaan erityisesti atomin sisällä oleviin elektroneihin.
Toisaalta eristetty atomi on suljettu kvanttijärjestelmä. Kun puhutaan kahdesta elektronista, puhutaan kahdesta identtisestä subatomisesta hiukkasesta, jotka ovat myös fermioneja, joten ne täyttävät poissulkemisperiaatteen. Lopuksi, kvanttimekaniikassa kvanttiluvut määräävät kunkin elektronin kvanttitilan. Näin ollen saman neljän kvanttiluvun samanaikainen omistaminen vastaa täsmälleen samassa kvanttitilassa olemista, mikä on itse asiassa se, mitä Paulin periaate sulkee pois tai kieltää.
Vain kaksi elektronia, joilla on vastasuuntaiset spinit, mahtuu kiertoradalle.
Toinen Paulin poissulkemisperiaatteen seuraus, jota joissain tapauksissa käytetään myös vaihtoehtoisena tapana ilmaista se, on, että samalla atomiradalla ei voi olla enempää kuin kaksi elektronia, ja lisäksi näillä on oltava vastakkaiset elektronit. pyörii (+ tai – ½) .
Tämä lauseke on myös ekvivalentti (tosin jälleen vähemmän yleinen) kuin edellinen väite, koska atomikiertorata määritellään kolmella ensimmäisellä kvanttiluvulla, n, l ja m l . Jos kaksi elektronia on samalla kiertoradalla, ne jakavat nämä kolme kvanttilukua. Koska näillä kahdella elektronilla ei voi olla samaa spiniä (koska niillä olisi samat neljä kvanttilukua, mikä on kiellettyä Paulin poissulkemisperiaatteella), ja koska kullekin elektronille on vain kaksi mahdollista spin-arvoa, ne voivat vain jokaisella kiertoradalla on kaksi elektronia.
Paulin poissulkemisperiaatteen soveltaminen
spektroskopiassa
Kuten jo mainittiin, Paulin poissulkemisperiaatetta käytetään selittämään atomiemissiospektrejä voimakkaiden magneettikenttien alla. Lisäksi se auttaa ymmärtämään absorptio- ja emissiospektrejä, sekä atomi- että molekyylispektrejä, sekä ydinmagneettisen resonanssin spektrejä. Näillä tekniikoilla on monia sovelluksia sekä kemiassa että lääketieteessä ja muilla aloilla.
Kemiassa
Yksi tämän periaatteen yleisimmistä sovelluksista kemiassa on, että sitä käytetään jaksollisen järjestelmän atomien elektronisen konfiguraation rakentamiseen. Paulin poissulkemisperiaatteen ansiosta tiedämme, että vain kaksi elektronia mahtuu kiertoradalle. Tämä yhdessä muiden kvanttilukujen valintasääntöjen kanssa mahdollistaa sen, että voimme määrittää, kuinka monta elektronia kullakin atomilla on kullakin energiatasolla ja kullakin kiertoradalla kunkin tason sisällä.
Seuraava taulukko havainnollistaa tätä sovellusta sallimalla jokaiselle pääenergiatasolle sopivien elektronien lukumäärän määrittämisen.
| Energiataso (n) | Kerros | Orbitaalien alitasot tai tyypit | orbitaalien määrä | maksimi elektronien lukumäärä |
| 1 | k | Joo | 1 | 2 |
| 2 | L | s, p | 4 | 8 |
| 3 | m | s, p, d | 9 | 18 |
| 4 | Ei. | s, p, d, f | 16 | 32 |
| … | … | … | … | … |
tähtitiedessä
Paulin poissulkemisperiaatetta käytetään tähtitieteessä selittämään valkoisten kääpiötähtien muodostumista sekä neutronitähtiä, jotka syntyvät kuolevan tähden romahtamisesta. Ensimmäiset (valkoiset kääpiöt) tukevat romahdusta sen muodostavien elektronien rappeutumispaineen ansiosta, kun taas neutronitähdet muodostuvat ja vastustavat oman painovoimansa romahtamista ytimien neutronien rappeutumispaineen vuoksi. Molemmissa tapauksissa tämä kvanttipaine syntyy, koska poissulkemisperiaatteen ennustama mahdottomuus on, että kaksi fermionia (joko elektroneja tai neutroneja, riippuen tähtityypistä) on samassa kvanttitilassa.
Viitteet
Chang, R. (2021). Kemia (11. painos ). MCGRAW HILLIN KOULUTUS.
Encyclopedia Britannican julkaisijat. (2018, 19. tammikuuta). Paulin poissulkemisperiaate . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle
Libretekstit. (2021, 19. huhtikuuta). Paulin poissulkemisperiaate . Kemia 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_PricipleExclusion
Nave, R. (nd). Paulin poissulkemisperiaate . hyperfysiikka. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pauli.html
Paulin poissulkemisperiaate. Tietosanakirja-artikkeli. (2019, 1. marraskuuta). Encyclopedia.us.es. http://enciclopedia.us.es/index.php/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli
Waksman Minsky, N. ja Saucedo Yáñez, A. (2019). Ydinmagneettisen resonanssin lyhyt historia: löydöstä kuvantamisen sovellukseen. Chemistry Education , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418
