Định nghĩa của Nguyên tắc loại trừ Pauli

Nguyên lý loại trừ Pauli là một trong những nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử. Nó phát biểu rằng, trong một hệ lượng tử kín như nguyên tử hoặc phân tử, không có hai hạt hạ nguyên tử giống hệt nhau nào có thể đồng thời có cùng cấu hình hoặc ở trạng thái lượng tử giống hệt nhau . Các hạt hạ nguyên tử đề cập đến các electron hoặc bất kỳ hạt nào tạo nên hạt nhân nguyên tử.

Nguyên tắc này được nhà vật lý lý thuyết người Áo Wolfgang Pauli đưa ra vào năm 1925 để giải thích một số quan sát thực nghiệm liên quan đến quang phổ phát xạ nguyên tử. Đặc biệt, nó có thể giải thích sự xuất hiện của một mô hình gồm nhiều vạch ( multiplet ) trong quang phổ phát xạ của các nguyên tử chịu từ trường mạnh, một quan sát được gọi là hiệu ứng Zeeman dị thường . Cho đến lúc đó, mô hình nguyên tử lượng tử hiện tại đã xác định các nguyên tử chỉ theo ba số lượng tử , đó là số lượng tử chính (n), phương vị (l) và số lượng tử từ tính (m _l ), ​​vì vậy quan sát của Pauli ngụ ý sự tồn tại của số lượng tử thứ tư tương ứng với spin.

Mặc dù ban đầu được thiết lập cho các electron bên trong một nguyên tử, nhưng nguyên tắc này mở rộng sang một lớp hạt hạ nguyên tử rộng hơn được gọi chung là fermion . Fermion là những hạt hạ nguyên tử có spin là bội số lẻ của ½ và do đó thỏa mãn nguyên lý loại trừ Pauli . Ngoài các electron, proton và neutron cũng là các fermion, vì vậy nguyên tắc này cũng áp dụng cho chúng và giúp giải thích quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân.

Hệ quả của nguyên lý loại trừ Pauli trong hóa học lượng tử

Tuyên bố thay thế của nguyên tắc loại trừ Pauli

Trong hóa học, nguyên lý loại trừ Pauli được diễn đạt theo một cách hơi khác so với cách trình bày ở đầu bài viết này. Trên thực tế, nó thường được phát biểu dựa trên một trong những hậu quả của nó, nói rằng:

Trong bất kỳ nguyên tử nào, không thể có hai electron nào có bốn số lượng tử giống nhau.

Cách phát biểu nguyên lý loại trừ Pauli này ít tổng quát hơn cách trước, nhưng nó tương đương với cách phát biểu đầu tiên khi áp dụng cụ thể cho các electron trong nguyên tử.

Một mặt, một nguyên tử bị cô lập là một hệ thống lượng tử khép kín. Khi nói về hai electron, chúng ta đang nói về hai hạt hạ nguyên tử giống hệt nhau cũng là fermion, vì vậy chúng đáp ứng nguyên tắc loại trừ. Cuối cùng, trong cơ học lượng tử, số lượng tử là thứ quyết định trạng thái lượng tử của mỗi electron. Do đó, đồng thời có bốn số lượng tử giống nhau tương đương với việc ở trong cùng một trạng thái lượng tử, trên thực tế, đây là điều mà nguyên lý Pauli loại trừ hoặc cấm.

Chỉ có hai electron có spin đối song mới có thể nằm gọn trong một quỹ đạo.

Một hệ quả khác của nguyên lý loại trừ Pauli, và trong một số trường hợp, cũng được sử dụng như một cách khác để phát biểu nó, đó là trong cùng một quỹ đạo nguyên tử không thể có nhiều hơn hai electron, và ngoài ra, chúng phải trái ngược nhau. số vòng quay (+ hoặc – ½) .

Phát biểu này cũng tương đương (mặc dù, một lần nữa, ít tổng quát hơn) so với phát biểu trước đó, vì một quỹ đạo nguyên tử được xác định bởi ba số lượng tử đầu tiên, n, l và m _l . Nếu hai electron ở cùng một quỹ đạo, thì chúng có chung ba số lượng tử này. Vì hai electron này không thể có cùng spin (vì chúng sẽ có bốn số lượng tử giống nhau, điều này bị cấm theo nguyên tắc loại trừ Pauli) và vì chỉ có hai giá trị spin khả dĩ cho mỗi electron, nên chúng chỉ có thể có là hai electron trong mỗi quỹ đạo.

Áp dụng nguyên lý loại trừ Pauli

trong quang phổ

Như đã đề cập, nguyên lý loại trừ Pauli được sử dụng để giải thích quang phổ phát xạ của nguyên tử trong từ trường mạnh. Ngoài ra, nó cũng giúp hiểu được phổ hấp thụ và phát xạ, cả nguyên tử và phân tử, và phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Những kỹ thuật này có nhiều ứng dụng trong cả hóa học và y học và các lĩnh vực khác.

Trong hóa học

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của nguyên tắc này trong hóa học là nó được sử dụng để xây dựng cấu hình điện tử của các nguyên tử trong bảng tuần hoàn. Nhờ nguyên lý loại trừ Pauli, chúng ta biết rằng chỉ có hai electron có thể nằm gọn trong một quỹ đạo. Điều này, kết hợp với các quy tắc lựa chọn khác cho các số lượng tử khác, cho phép chúng ta xác định mỗi nguyên tử có bao nhiêu electron ở mỗi mức năng lượng và trong mỗi quỹ đạo trong mỗi mức.

Bảng dưới đây minh họa ứng dụng này bằng cách cho phép xác định số lượng electron phù hợp với từng mức năng lượng chính.

trong thiên văn học

Nguyên lý loại trừ Pauli được sử dụng trong thiên văn học để giải thích sự hình thành của các sao lùn trắng, cũng như các sao neutron do sự sụp đổ của một ngôi sao sắp chết. Các sao lùn đầu tiên (sao lùn trắng) chống lại sự sụp đổ nhờ áp suất suy biến của các electron tạo nên nó, trong khi sao neutron được hình thành và chống lại sự suy sụp của chính chúng do áp suất suy biến của neutron trong hạt nhân nguyên tử. Trong cả hai trường hợp, áp suất lượng tử này được tạo ra do không thể dự đoán được theo nguyên lý loại trừ rằng hai fermion (electron hoặc neutron, tùy thuộc vào loại sao) chiếm cùng một trạng thái lượng tử.

Người giới thiệu

Chang, R. (2021). Hóa học ( ^{tái bản lần} thứ 11 .). GIÁO DỤC MCGRAW HILL.

Các nhà xuất bản của Encyclopedia Britannica. (2018, ngày 19 tháng 1). Nguyên lý loại trừ Pauli . Bách khoa toàn thư Britannica. https://www.britannica.com/science/Pauli-exclusion-principle

Các văn bản miễn phí. (2021, ngày 19 tháng 4). Nguyên tắc loại trừ Pauli . Hóa học 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

Giữa, R. (nd). Nguyên tắc loại trừ Pauli . siêu vật lý. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pauli.html

Nguyên tắc loại trừ Pauli. bài bách khoa toàn thư. (2019, ngày 1 tháng 11). Encyclopedia.us.es. http://enciclopedia.us.es/index.php/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli

Waksman Minsky, N., & Saucedo Yáñez, A. (2019). Tóm tắt lịch sử cộng hưởng từ hạt nhân: từ khám phá đến ứng dụng trong chụp ảnh. Giáo dục Hóa học , 30 (2), 129. https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2019.2.68418