Definiția principiului de excludere a lui Pauli

Principiul excluderii Pauli este unul dintre principiile fundamentale ale mecanicii cuantice. Acesta afirmă că, într-un sistem cuantic închis, cum ar fi un atom sau o moleculă, nu există două particule subatomice identice care pot avea simultan aceeași configurație sau sunt exact în aceeași stare cuantică . Particulele subatomice se referă fie la electroni, fie la oricare dintre particulele care alcătuiesc nucleul atomic.

Acest principiu a fost postulat de fizicianul teoretician austriac Wolfgang Pauli în 1925 pentru a explica anumite observații experimentale legate de spectrele de emisie atomică. În special, face posibilă explicarea apariției unui model de linii multiple ( multiplet ) în spectrele de emisie ale atomilor supuși la câmpuri magnetice puternice, o observație numită efectul Zeeman anormal . Până atunci, modelul atomic cuantic actual definea atomii în termeni de doar trei numere cuantice , și anume numărul cuantic principal (n), numărul cuantic azimutal (l) și numărul cuantic magnetic (m _l ), ​​​​deci observația lui Pauli a implicat existența unui al patrulea număr cuantic corespunzător spinului.

Deși a fost stabilit inițial pentru electronii dintr-un atom, acest principiu se extinde la o clasă mai largă de particule subatomice numite colectiv fermioni . Fermionii sunt acele particule subatomice al căror spin este un multiplu impar de ½ și care, prin urmare, satisfac principiul de excludere Pauli . Pe lângă electroni, protonii și neutronii sunt și fermioni, așa că acest principiu se aplică și acestora și ajută la explicarea spectrelor de rezonanță magnetică nucleară.

Consecințele principiului excluderii Pauli în chimia cuantică

Declarație alternativă a principiului excluderii Pauli

În chimie, principiul excluderii Pauli este exprimat într-un mod ușor diferit față de cel prezentat la începutul acestui articol. De fapt, de obicei se afirmă pe baza uneia dintre consecințele sale, afirmând că:

În niciun atom, doi electroni nu pot avea aceleași patru numere cuantice.

Acest mod de a afirma principiul excluderii Pauli este mai puțin general decât precedentul, dar este echivalent cu prima afirmație atunci când este aplicat în mod specific electronilor dintr-un atom.

Pe de o parte, un atom izolat este un sistem cuantic închis. Când vorbim de doi electroni, vorbim de două particule subatomice identice care sunt și fermioni, deci îndeplinesc principiul de excludere. În cele din urmă, în mecanica cuantică, numerele cuantice sunt cele care determină starea cuantică a fiecărui electron. Astfel, a avea simultan aceleași patru numere cuantice echivalează cu a fi în exact aceeași stare cuantică, ceea ce este, de fapt, ceea ce exclude sau interzice principiul Pauli.

Doar doi electroni cu spin antiparalel pot intra într-un orbital.

O altă consecință a principiului excluderii Pauli și care, în unele cazuri, este folosită și ca modalitate alternativă de afirmare, este aceea că în același orbital atomic nu pot exista mai mult de doi electroni și că, în plus, aceștia trebuie să aibă opus rotiri (+ sau – ½) .

Această afirmație este, de asemenea, echivalentă (deși, din nou, mai puțin generală) decât afirmația anterioară, deoarece un orbital atomic este definit de primele trei numere cuantice, n, l și m _l . Dacă doi electroni sunt în același orbital, atunci ei împărtășesc aceste trei numere cuantice. Deoarece acești doi electroni nu pot avea același spin (pentru că ar avea aceleași patru numere cuantice, ceea ce este interzis de principiul excluderii Pauli) și deoarece există doar două valori posibile de spin pentru fiecare electron, atunci ei pot doar Acolo sunt doi electroni în fiecare orbital.

Aplicarea principiului excluderii Pauli

în spectroscopie

După cum sa menționat deja, principiul de excludere Pauli este folosit pentru a explica spectrele de emisie atomică în câmpuri magnetice puternice. În plus, ajută și la înțelegerea spectrelor de absorbție și emisie, atât atomice, cât și moleculare, și a spectrelor de rezonanță magnetică nucleară. Aceste tehnici au multe aplicații atât în ​​chimie, cât și în medicină și în alte domenii.

În chimie

Una dintre cele mai comune aplicații ale acestui principiu în chimie este aceea că este folosit pentru a construi configurația electronică a atomilor din tabelul periodic. Datorită principiului de excludere Pauli, știm că doar doi electroni pot încadra într-un orbital. Acest lucru, combinat cu celelalte reguli de selecție pentru celelalte numere cuantice, ne permite să determinăm câți electroni are fiecare atom în fiecare nivel de energie și în fiecare orbital din fiecare nivel.

Următorul tabel ilustrează această aplicație permițând determinarea numărului de electroni care se potrivesc în fiecare nivel de energie principal.

în astronomie

Principiul de excludere Pauli este folosit în astronomie pentru a explica formarea stelelor pitice albe, precum și a stelelor neutronice care rezultă din prăbușirea unei stele pe moarte. Primele (piticele albe) susțin prăbușirea datorită presiunii de degenerescență a electronilor care o alcătuiesc, în timp ce stelele neutronice se formează și rezistă prăbușirii propriei gravitații din cauza presiunii de degenerare a neutronilor din nucleele atomice. În ambele cazuri, această presiune cuantică este generată din cauza imposibilității prezise de principiul excluderii ca doi fermioni (fie electroni, fie neutroni, în funcție de tipul de stea) să ocupe aceeași stare cuantică.

Referințe

Chang, R. (2021). Chimie ( ^ed . a 11-a). MCGRAW HILL EDUCAȚIE.

Editorii Enciclopediei Britanice. (2018, 19 ianuarie). Principiul excluderii Pauli . Enciclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle

Libretexte. (2021, 19 aprilie). Principiul excluderii Pauli . Chimie LibreTexte. 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_Principle_Exclusion/Pauli_Exclusion

Nave, R. (nd). Principiul excluderii Pauli . hiperfizică. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pauli.html

Principiul excluderii Pauli. Articol de enciclopedie. (2019, 1 noiembrie). Encyclopedia.us.es. http://enciclopedia.us.es/index.php/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli

Waksman Minsky, N. și Saucedo Yáñez, A. (2019). Scurt istoric al rezonanței magnetice nucleare: de la descoperire până la aplicarea în imagistică. Chemistry Education , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418