Definition av Paulis uteslutningsprincip

Paulis uteslutningsprincip är en av kvantmekanikens grundläggande principer. Den säger att i ett slutet kvantsystem som en atom eller en molekyl kan inga två identiska subatomära partiklar samtidigt ha samma konfiguration, eller är i exakt samma kvanttillstånd . Subatomära partiklar hänvisar antingen till elektroner eller till någon av partiklarna som utgör atomkärnan.

Denna princip postulerades av den österrikiske teoretiske fysikern Wolfgang Pauli 1925 för att förklara vissa experimentella observationer relaterade till atomära emissionsspektra. I synnerhet gör det det möjligt att förklara utseendet av ett mönster av flera linjer ( multiplett ) i emissionsspektra av atomer som utsätts för starka magnetfält, en observation som kallas den anomala Zeeman-effekten . Fram till dess definierade den nuvarande kvantatommodellen atomer i termer av endast tre kvanttal , nämligen det huvudsakliga kvanttalet (n), det azimutala (l) och det magnetiska kvanttalet (ml ₎ , så Paulis observation antydde att förekomsten av ett fjärde kvanttal som motsvarar snurret.

Även om den ursprungligen etablerades för elektroner inom en atom, sträcker sig denna princip till en bredare klass av subatomära partiklar som kollektivt kallas fermioner . Fermioner är de subatomära partiklar vars spinn är en udda multipel av ½ och som därför uppfyller Paulis uteslutningsprincip . Förutom elektroner är protoner och neutroner också fermioner, så denna princip gäller även dem och hjälper till att förklara kärnmagnetiska resonansspektra.

Konsekvenser av uteslutningsprincipen Pauli i kvantkemi

Alternativt uttalande av Paulis uteslutningsprincip

Inom kemi uttrycks Paulis uteslutningsprincip på ett lite annorlunda sätt än det som presenterades i början av denna artikel. Faktum är att det vanligtvis anges baserat på en av dess konsekvenser, och säger att:

I vilken atom som helst kan inga två elektroner ha samma fyra kvanttal.

Det här sättet att ange Pauli-uteslutningsprincipen är mindre generellt än det föregående, men det motsvarar det första påståendet när det appliceras specifikt på elektroner i en atom.

Å ena sidan är en isolerad atom ett slutet kvantsystem. När vi pratar om två elektroner talar vi om två identiska subatomära partiklar som också är fermioner, så de uppfyller uteslutningsprincipen. Slutligen, inom kvantmekaniken är det kvanttalen som bestämmer kvanttillståndet för varje elektron. Att samtidigt ha samma fyra kvanttal motsvarar alltså att vara i exakt samma kvanttillstånd, vilket faktiskt är vad Pauli-principen utesluter eller förbjuder.

Endast två elektroner med antiparallella spinn får plats i en orbital.

En annan konsekvens av Pauli uteslutningsprincipen och som i vissa fall också används som ett alternativt sätt att uttrycka den är att det i samma atomomloppsbana inte kan finnas mer än två elektroner, och att dessa dessutom måste ha motsatta snurrar (+ eller – ½) .

Detta påstående är också ekvivalent (men, återigen, mindre allmänt) än det föregående påståendet, eftersom en atomomloppsbana definieras av de tre första kvanttalen, n, l och _ml . Om två elektroner är i samma omloppsbana delar de dessa tre kvanttal. Eftersom dessa två elektroner inte kan ha samma spinn (eftersom de skulle ha samma fyra kvanttal, vilket är förbjudet enligt Paulis uteslutningsprincip), och eftersom det bara finns två möjliga spinnvärden för varje elektron, så kan de bara är två elektroner i varje orbital.

Tillämpning av Paulis uteslutningsprincip

i spektroskopi

Som redan nämnts används Pauli uteslutningsprincipen för att förklara atomära emissionsspektra under starka magnetfält. Dessutom hjälper det också att förstå absorptions- och emissionsspektra, både atomära och molekylära, och kärnmagnetiska resonansspektra. Dessa tekniker har många tillämpningar inom både kemi och medicin och andra områden.

I kemi

En av de vanligaste tillämpningarna av denna princip inom kemi är att den används för att bygga den elektroniska konfigurationen av atomerna i det periodiska systemet. Tack vare Pauli uteslutningsprincipen vet vi att endast två elektroner får plats i en orbital. Detta, i kombination med de andra urvalsreglerna för de andra kvanttalen, gör att vi kan bestämma hur många elektroner varje atom har i varje energinivå och i varje orbital inom varje nivå.

Följande tabell illustrerar denna tillämpning genom att tillåta bestämning av antalet elektroner som passar i varje huvudenerginivå.

i astronomi

Paulis uteslutningsprincip används inom astronomi för att förklara bildandet av vita dvärgstjärnor, såväl som neutronstjärnor som är ett resultat av kollapsen av en döende stjärna. De första (vita dvärgarna) stödjer kollapsen tack vare degenerationstrycket från elektronerna som utgör den, medan neutronstjärnor bildas och motstår kollapsen av sin egen gravitation på grund av degenerationstrycket från neutronerna i kärnorna. I båda fallen genereras detta kvanttryck på grund av den omöjlighet som förutsägs av uteslutningsprincipen att två fermioner (antingen elektroner eller neutroner, beroende på typ av stjärna) upptar samma kvanttillstånd.

Referenser

Chang, R. (2021). Chemistry (11: ^{e upplagan} ). MCGRAW HILL UTBILDNING.

Utgivare av Encyclopedia Britannica. (2018, 19 januari). Pauli uteslutningsprincip . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle

Libretexter. (2021, 19 april). Paulis uteslutningsprincip . Kemi 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_Prinuli_Configurations/Electronic_Principle_Configurations

Nave, R. (nd). Paulis uteslutningsprincip . hyperfysik. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pauli.html

Pauli uteslutningsprincip. Encyclopedia artikel. (2019, 1 november). Encyclopedia.us.es. http://enciclopedia.us.es/index.php/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli

Waksman Minsky, N., & Saucedo Yáñez, A. (2019). Kort historia om kärnmagnetisk resonans: från upptäckt till tillämpning inom bildbehandling. Chemistry Education , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418