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파울리 배타 원리는 양자 역학의 기본 원리 중 하나입니다. 그것은 원자나 분자와 같은 닫힌 양자 시스템에서 두 개의 동일한 아원자 입자가 동시에 동일한 구성을 갖거나 정확히 동일한 양자 상태에 있을 수 없다고 말합니다 . 아원자 입자는 전자 또는 원자핵을 구성하는 입자 중 하나를 나타냅니다.
이 원리는 원자 방출 스펙트럼과 관련된 특정 실험적 관찰을 설명하기 위해 1925년 오스트리아의 이론 물리학자 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)에 의해 가정되었습니다. 특히, 강한 자기장에 노출된 원자의 방출 스펙트럼에서 다중 선( 다중선 ) 의 패턴이 나타나는 현상을 설명할 수 있으며 , 이를 비정상적인 Zeeman 효과 라고 합니다 . 그때까지 현재의 양자 원자 모델은 주양자수(n), 방위각수(l), 자기양자수(ml ) 의 세 가지 양자수로 만 원자를 정의했기 때문에 파울리의 관찰은 다음을 암시했다. 스핀에 해당하는 네 번째 양자수 존재.
원래 원자 내의 전자에 대해 확립되었지만, 이 원리는 집합적으로 페르미온 이라고 하는 더 광범위한 종류의 아원자 입자로 확장됩니다 . 페르미온은 스핀이 ½의 홀수 배수이므로 파울리 배타 원리를 만족하는 아원자 입자입니다 . 전자 외에 양성자와 중성자도 페르미온이므로 이 원리가 이들에게도 적용되며 핵자기 공명 스펙트럼을 설명하는 데 도움이 됩니다.
양자 화학에서 파울리 배타 원리의 결과
Pauli 배제 원칙의 대체 설명
화학에서 파울리 배타 원리는 이 기사의 시작 부분에 제시된 것과 약간 다른 방식으로 표현됩니다. 사실, 일반적으로 다음과 같은 결과 중 하나를 기반으로 명시됩니다.
어떤 원자에서도 두 개의 전자가 동일한 4개의 양자수를 가질 수 없습니다.
파울리 배타 원리를 설명하는 이 방법은 이전 방법보다 덜 일반적이지만 원자 내의 전자에 구체적으로 적용할 때 첫 번째 설명과 동일합니다.
한편으로 고립된 원자는 닫힌 양자 시스템입니다. 두 개의 전자에 대해 이야기할 때 우리는 페르미온이기도 한 두 개의 동일한 아원자 입자에 대해 이야기하고 있으므로 이들은 배타 원리를 충족합니다. 마지막으로, 양자 역학에서 양자 수는 각 전자의 양자 상태를 결정하는 것입니다. 따라서 동일한 4개의 양자수를 동시에 갖는 것은 정확히 동일한 양자 상태에 있는 것과 동일하며, 이는 사실 Pauli 원리가 배제하거나 금지하는 것입니다.
반평행 스핀을 가진 두 개의 전자만이 오비탈에 들어갈 수 있습니다.
파울리 배타 원리의 또 다른 결과는 동일한 원자 궤도에 2개 이상의 전자가 있을 수 없으며, 추가로 반대 방향의 전자를 가져야 한다는 것 입니다. 회전합니다.(+ 또는 – ½) .
이 진술은 또한 원자 궤도가 처음 세 양자수 n, l 및 m l 에 의해 정의되기 때문에 이전 진술과 동등합니다(다시 말하지만 덜 일반적입니다) . 두 개의 전자가 같은 궤도에 있으면 이 세 개의 양자수를 공유합니다. 이 두 전자는 동일한 스핀을 가질 수 없기 때문에(파울리 배타 원리에 의해 금지되는 동일한 4개의 양자수를 가질 것이기 때문에) 각 전자에 대해 가능한 스핀 값이 두 개뿐이므로 각 오비탈에는 두 개의 전자가 있습니다.
Pauli 배제 원칙의 적용
분광학에서
이미 언급한 바와 같이 파울리 배타 원리는 강한 자기장 하에서 원자 방출 스펙트럼을 설명하는 데 사용됩니다. 또한 원자 및 분자의 흡수 및 방출 스펙트럼과 핵 자기 공명 스펙트럼을 이해하는 데 도움이 됩니다. 이러한 기술은 화학 및 의학 및 기타 분야에서 많은 응용 분야를 가지고 있습니다.
화학에서
화학에서 이 원리의 가장 일반적인 응용 중 하나는 주기율표에서 원자의 전자 구성을 구축하는 데 사용된다는 것입니다. 파울리 배타 원리 덕분에 우리는 오비탈에 들어갈 수 있는 전자가 두 개뿐이라는 것을 알고 있습니다. 이것은 다른 양자수에 대한 다른 선택 규칙과 결합되어 각 원자가 각 에너지 수준과 각 수준 내의 각 궤도에 얼마나 많은 전자를 가지고 있는지 결정할 수 있습니다.
다음 표는 각 주요 에너지 수준에 맞는 전자 수를 결정함으로써 이 응용 프로그램을 보여줍니다.
| 에너지 수준(n) | 층 | 하위 수준 또는 궤도 유형 | 궤도 수 | 최대 전자 수 |
| 1 | 케이 | 예 | 1 | 2 |
| 2 | 엘 | s,p | 4 | 8 |
| 삼 | 중 | 에스, 피, 디 | 9 | 18 |
| 4 | 아니요. | 에스, 피, 디, 에프 | 16 | 32 |
| … | … | … | … | … |
천문학에서
파울리 배타 원리는 죽어가는 별의 붕괴로 인한 중성자별뿐만 아니라 백색 왜성의 형성을 설명하기 위해 천문학에서 사용됩니다. 첫 번째 (백색 왜성)는 그것을 구성하는 전자의 축퇴 압력 덕분에 붕괴를 지원하는 반면 중성자 별은 원자핵의 중성자 축퇴 압력으로 인해 자체 중력의 붕괴에 저항하여 형성됩니다. 두 경우 모두 이 양자 압력은 두 개의 페르미온(별의 유형에 따라 전자 또는 중성자)이 동일한 양자 상태를 점유한다는 배타 원리에 의해 예측되는 불가능성으로 인해 생성됩니다.
참조
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Waksman Minsky, N., & Saucedo Yáñez, A. (2019). 핵자기 공명의 간략한 역사: 발견에서 이미징 응용까지. 화학교육 , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418
