Tabla de Contenidos
หลักการกีดกันของเพาลีเป็นหนึ่งในหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม มันระบุว่าในระบบควอนตัมแบบปิด เช่น อะตอมหรือโมเลกุล ไม่มีอนุภาคของอะตอมที่เหมือนกันสองอนุภาคที่สามารถมีการกำหนดค่าเดียวกันได้พร้อมกัน หรืออยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันทุกประการ อนุภาคของอะตอมหมายถึงอิเล็กตรอนหรืออนุภาคใดๆ ที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียสของอะตอม
หลักการนี้ตั้งสมมติฐานโดย Wolfgang Pauli นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวออสเตรียในปี 1925 เพื่ออธิบายการสังเกตการณ์เชิงทดลองบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับสเปกตรัมการปล่อยปรมาณู โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทำให้สามารถอธิบายลักษณะที่ปรากฏของเส้นหลายเส้น ( มัลติเพลต ) ในสเปกตรัมการแผ่รังสีของอะตอมภายใต้สนามแม่เหล็กแรงสูง การสังเกตที่เรียกว่าZeeman effect ที่ผิดปกติ ก่อนหน้านั้น แบบจำลองอะตอมควอนตัมปัจจุบันกำหนดอะตอมในรูปของเลขควอนตัม เพียงสาม ตัว ได้แก่ เลขควอนตัมหลัก (n) เลขอะซิมูทัล (l) และเลขควอนตัมแม่เหล็ก (ml )ดังนั้นการสังเกตของเพาลีจึงบอกเป็นนัยว่า การมีอยู่ของเลขควอนตัมตัวที่สี่ที่สอดคล้องกับการหมุน.
แม้ว่าเดิมทีจะกำหนดขึ้นสำหรับอิเล็กตรอนภายในอะตอม หลักการนี้ขยายไปถึงชั้นที่กว้างขึ้นของอนุภาคย่อยของอะตอมที่เรียกรวมกันว่าเฟอร์มิออน เฟอร์มิออนเป็นอนุภาคย่อยของอะตอมที่มีการหมุนเป็นเลขคี่ทวีคูณของ ½ และเป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลี นอกจากอิเล็กตรอนแล้ว โปรตอนและนิวตรอนยังเป็นเฟอร์มิออน ดังนั้นหลักการนี้จึงใช้ได้กับพวกมันเช่นกัน และช่วยอธิบายสเปกตรัมเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์
ผลที่ตามมาจากหลักการกีดกันของเพาลีในเคมีควอนตัม
ถ้อยแถลงทางเลือกของหลักการกีดกันของเพาลี
ในวิชาเคมี หลักการกีดกันของเพาลีแสดงออกมาในลักษณะที่แตกต่างไปจากที่นำเสนอในตอนต้นของบทความนี้เล็กน้อย ในความเป็นจริง มักจะระบุตามผลที่ตามมาอย่างใดอย่างหนึ่ง โดยระบุว่า:
ในอะตอมใดๆ ไม่มีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีเลขควอนตัมสี่ตัวเท่ากัน
วิธีระบุหลักการกีดกันของเพาลีนี้กว้างน้อยกว่าวิธีก่อนหน้า แต่เทียบเท่ากับข้อความแรกเมื่อนำไปใช้กับอิเล็กตรอนภายในอะตอมโดยเฉพาะ
ในแง่หนึ่ง อะตอมที่อยู่โดดเดี่ยวเป็นระบบควอนตัมแบบปิด เมื่อพูดถึงอิเล็กตรอนสองตัว เรากำลังพูดถึงอนุภาคย่อยของอะตอมที่เหมือนกันสองตัวซึ่งเป็นเฟอร์มิออนด้วย ดังนั้นพวกมันจึงเป็นไปตามหลักการกีดกัน สุดท้าย ในกลศาสตร์ควอนตัม เลขควอนตัมคือสิ่งที่กำหนดสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอนแต่ละตัว ดังนั้น การมีเลขควอนตัมสี่ตัวที่เหมือนกันพร้อมกันจึงเท่ากับอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว สิ่งที่หลักการของเพาลียกเว้นหรือห้ามไว้
มีเพียงอิเล็กตรอนสองตัวที่มีสปินแบบขนานกันเท่านั้นที่สามารถบรรจุในออร์บิทัลได้
ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งในบางกรณียังใช้เป็นทางเลือกในการระบุก็คือว่าในออร์บิทัลของอะตอมเดียวกันจะมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกินสองตัว และนอกจากนี้ จะต้องมีขั้วตรงข้ามกัน สปิน (+ หรือ – ½) .
คำสั่งนี้ยังเทียบเท่า (แต่อีกครั้ง กว้างน้อยกว่า) กว่าคำสั่งก่อนหน้า เนื่องจากออร์บิทัลของอะตอมถูกกำหนดโดยเลขควอนตัมสามตัวแรก n, l และml ถ้าอิเล็กตรอนสองตัวอยู่ในออร์บิทัลเดียวกัน พวกมันก็จะมีเลขควอนตัมทั้งสามนี้ร่วมกัน เนื่องจากอิเล็กตรอนสองตัวนี้ไม่สามารถมีสปินเหมือนกันได้ (เพราะพวกมันจะมีเลขควอนตัมสี่ตัวเหมือนกัน ซึ่งหลักการกีดกันของเพาลีห้ามไว้) และเนื่องจากมีค่าสปินที่เป็นไปได้เพียงสองค่าสำหรับแต่ละอิเล็กตรอน ดังนั้นพวกมันจึงทำได้แค่มี เป็นอิเล็กตรอนสองตัวในแต่ละออร์บิทัล
การประยุกต์ใช้หลักการกีดกันของเพาลี
ในสเปกโทรสโกปี
ดังที่กล่าวไปแล้ว หลักการกีดกันของเพาลีใช้เพื่ออธิบายสเปกตรัมการแผ่รังสีของอะตอมภายใต้สนามแม่เหล็กแรงสูง นอกจากนี้ยังช่วยให้เข้าใจสเปกตรัมการดูดกลืนและการปล่อยสเปกตรัม ทั้งอะตอมและโมเลกุล และสเปกตรัมเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ เทคนิคเหล่านี้มีการใช้งานมากมายทั้งในด้านเคมีและการแพทย์และสาขาอื่นๆ
ในวิชาเคมี
หนึ่งในการประยุกต์ใช้หลักการนี้ในวิชาเคมีที่พบได้บ่อยที่สุดก็คือ หลักการนี้ใช้ในการสร้างโครงแบบอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมในตารางธาตุ ด้วยหลักการกีดกันของเพาลี เรารู้ว่าอิเล็กตรอนเพียงสองตัวเท่านั้นที่สามารถอยู่ในออร์บิทัลได้ เมื่อรวมกับกฎการเลือกอื่นๆ สำหรับเลขควอนตัมอื่นๆ ทำให้เราสามารถระบุได้ว่าแต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอนกี่ตัวในแต่ละระดับพลังงานและในแต่ละออร์บิทัลในแต่ละระดับ
ตารางต่อไปนี้แสดงตัวอย่างการใช้งานนี้โดยกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนที่พอดีกับระดับพลังงานหลักแต่ละระดับ
| ระดับพลังงาน (n) | ชั้น | ระดับย่อยหรือประเภทของวงโคจร | จำนวนวงโคจร | จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุด |
| 1 | เค | ใช่ | 1 | 2 |
| 2 | แอล | เอสพี | 4 | 8 |
| 3 | ม | เอส, พี, ดี | 9 | 18 |
| 4 | เลขที่ | s, p, d, f | 16 | 32 |
| … | … | … | … | … |
ในทางดาราศาสตร์
หลักการกีดกันของเพาลีถูกนำมาใช้ในดาราศาสตร์เพื่ออธิบายการก่อตัวของดาวแคระขาว เช่นเดียวกับดาวนิวตรอนที่เป็นผลมาจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ที่กำลังจะตาย ดวงแรก (ดาวแคระขาว) รองรับการยุบตัวเนื่องจากแรงดันการเสื่อมของอิเล็กตรอนที่ประกอบกันเป็นดาวนิวตรอนในขณะที่ดาวนิวตรอนก่อตัวขึ้นและต่อต้านการพังทลายของแรงโน้มถ่วงของพวกมันเองเนื่องจากแรงดันการเสื่อมของนิวตรอนในนิวเคลียสอะตอม ในทั้งสองกรณี ความดันควอนตัมนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความเป็นไปไม่ได้ที่ทำนายโดยหลักการกีดกันว่าเฟอร์มิออนสองตัว (อิเล็กตรอนหรือนิวตรอนขึ้นอยู่กับประเภทของดาว) อยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน
อ้างอิง
ช้าง ร. (2564). เคมี ( ฉบับ ที่ 11 ) MCGRAW HILL การศึกษา
ผู้จัดพิมพ์สารานุกรมบริแทนนิกา (2561, 19 มกราคม). หลักการกีดกันของเพาลี สารานุกรมบริแทนนิกา. https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle
ลิเบรอเท็กซ์ (2564, 19 เมษายน). หลักการกีดกันของเพาลี เคมี 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. (น.). หลักการกีดกันของเพาลี ไฮเปอร์ฟิสิกส์ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pauli.html
หลักการกีดกันของเพาลี บทความสารานุกรม. (2019, 1 พฤศจิกายน). สารานุกรม.us.es. http://enciclopedia.us.es/index.php/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli
Waksman Minsky, N. และ Saucedo Yáñez, A. (2019) ประวัติโดยสังเขปของ Nuclear Magnetic Resonance: จากการค้นพบสู่การประยุกต์ใช้ในการถ่ายภาพ เคมีศึกษา , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418
